DE2250306C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur gesicherten Datenübertragung - Google Patents

Description

Die Einrichtung zur Kanalzustandsmessung erhält Länge n, — Ar₁ + m_v Der zweite Codierer 3 hat die ihre Informationen über den Stör- und Fehlerzustand Aufgabe, die Daten gegen statistisch verteilte Fehler des Übertragungskanals unabhängig von den zur zu schützen. Hierzu teilt er die Datenblöcke der Fehlerkorrektur verwendeten redundanten Codier- Länge n_t in Abschnitte 15 der Länge k._z auf, die er verfahren. Damit sind die Korrekturprozesse in vor- 5 jeweils mit m₂ Redundanz-Bits versieht. Es entstehen teilhafter Weise gezielt und optimal steuerbar, die kurze Blöcke der Länge n₂ = k₂ + m_v Die Ver-Blocklängen können verkürzt werden, und/oder eine knüpfungslänge ergibt sich bei diesem zweistufigen kleinere Restfehlerwahrscheinlichkeit wird erreicht. Verfahren jeweils aus der Quelleninformation und Im einzelnen werden Ausführungsbeispiele der den zugehörigen Redundanzen beider Codierstufen. Erfindung und ihre einzelnen Merkmale an Hand ίο Bei ihrer Übertragung v/erden diese Daten durch der F i g. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt die Kanalstörungen 16 verfälscht, so daß die Emp-F i g. 1 das Blockschaltbild des zweistufigen Vor- fangsfolge 18 am Ausgang des Demodulators fehlerwärtskorrektursystems, hafte Teilblöcke statt fehlerfreie Codeworte enthält. F i g. 2 das Betriebsablaufdiagramm des zweistufi- Aus den fehlerhaften Teilblöcken der Länge n₂ und gen Vorwärtskorrektursystems, 15 den Anzeigen des Störungsdetektors bestimmt die F i g. 3 die Bestimmung der Dichtezonen, KZM 12 Fehlerbündel 17 nach Ort und Länge. Dabei F i g. 4 die Bestimmung der Fehlerbündelzone. ist der kombinierte Einsatz des ersten Decoders 7 In F i g. 1 ist zur Erläuterung des Verfahrens als und des Störungsdetektors 11 vorteilhaft, da die Ausführungsbeispiel ein zweistufiges Voiwärtskor- · Fehlercrkennungsfähigkcit aller Codes in Bündelrektursystem gezeigt. Der Ausgang einer Daten- 20 zonen hoher Fehlerintensität eingeschränkt ist.
quelle 1 ist mit dem Eingang eines ersten Codierers 2, Parallel zur Zustandsmessung korrigiert der erste P dessen Ausgang mit dem Eingang eines zweiten Co- Decodierer 7 die statistisch verteilten Fehler und dierers 3 und dessen Ausgang mit dem Übertragungs- leitet die korrigierte Information 19 zum zweiten Defl kanal verbunden. codierer 8, der die Korrektur festgestellter Fehler-Der Übertragungskanal besteht beispielsweise aus as bündel durchführt. Die korrigierte Information 20 einem Modulator 4, dem Analogkanal 5 sowie dem wird über das Ausgabewerk zur Datensenke gegeben. Demodulator 6. Die meisten Systemkomponenten zur Durchfüh-Empfangsseitig ist der Ausgang des Demodulators _rung des Verfahrens sind in an sich bekannter Weise & mit dem Eingang eines ersten Decodierers 7, dessen realisierbar. Als Datenquellen I und Datensenken Ausgang mit dem Eingang eines zweiten Decoders 8, 30 10 können alle Geräte der Datenverarbeitung Verdessen Ausgang mit dem Eingang eines Ausgabe- wendung finden, wie z. B. Ein- und Ausgabekanäle Werkes 9 und dessen Ausgang mit dem Eingang einer _Von Rechnern, Lochstreifen. Kartenleser und -stan-Datensenke verbunden. _ze!% Schnelldrucker, Magnetbandeinheiten usw. Bei-Ferner ist am Demodulator 6 ein Störungsdetek- spiele für Übertragungskanäle sind Fernsprechwahltor II angeschlossen, dessen Ausgang mit einem 35 kanäle, Funkkanäle o.a. Diese Analogkanäle kön- - ersten Eingang einer Einrichtung zur Kannlzustands- _ncn 7. B, mit handelsüblichen Modulations- und Demessung 12 — im folgenden kurz KZM 12 ge- modulationsgcräten für die Übertragung digitaler Si- { nannt — verbunden ist. Fehlermeldungen vom De- g_nale nutzbar gemacht werden. Solche Modems 4 coder 7 führen zu einem zweiten Eingang der bzw. 6 sind z. B. durch die CCITT-Empfehlungen ^: ΚΖΜΪ2. 40 V 21, V 23 und V 26 definiert.

Von der KZM 12 gehen vier Steuerleitungen ab. Zum Aufhau der Codier- und Decodierstufen wird von denen eine zum ersten Decodierer 7, eine zum ebenfalls auf die Literatur verwiesen. Vorzugsweise zweiten Decodierer 8. eine zum Ausgabewerk 9 und arbeiten beide Korrekturstufen mit sogenannten eine weitere zur Datensenke 10 führt. Ebenso führen zyklischen Codes, deren Nufbau u 1 Wirkungsweise Steucrleitungen vom zweiten Decodierer 8 zum Aus- 45 j_n dem Buch von W. W. Peterson: »Prüfbare und gabewerk und /ur Datensenke. korrigierbare Codes« München, Wien. 1967, speziell Die Datensicherung besteht sendeseitig aus den i_n den Kapiteln 8 bis 10, beschrieben wurden. Für sk beiden Codierern 2 und 3 und empfangsseitig aus den die Korrektur statistisch verteilter Fehler im ersten P Decodieren! 7 und 8 sowie der Ausgabeeinheit 9. Decoder 7 können hierbei algebraische Korrekturverf| Störungsdetektor 11 und KZM 12 dienen der opti- 50 fahren verwendet werden, wie sie in dem bereits gell malen Steuerung der empfangsseitigen Datensiche- nannten Buch von R. G. G al lager oder in . Ie¹^i j rungseinheiten und KZM 12 und zweiter Deco- Buch von E. R. Berlekamp: »Algebraic ColF ι dierer 8 zur Markierung oder Sperrung unsicherer Theory«, McGraw-Hill, 1968, speziell in Kapitel 7, % Daten. beschrieben werden. Falls die Störstruktur des Über-Die Steuereinheit zur sendeseitigen Steuerung des 55 tragungskanals dies erlaubt, sind auch vorteilhaft Datenflusses und die Einrichtung zur Rückgewinnung Korrekturverfahren mit zyklischer Permutation und des Bittaktes und der Blocktakte auf der Empfangs- Fehlerwortüberlagerung einsetzbar. Ein derartiges seite sowie die hierzu erforderlichen Steuerleitungen Verfahren wurde von T. Kasami: »A Decoding wurden zur besseren Übersicht nicht eingezeichnet, Procedure for Multiple-Error-Correcting Cyclic da diese Einrichtungen zum Stand der Technik ge- 60 Codes« (IEEE Transactions on Information Theory, hören und zur Darstellung der Erfindung nicht er- Vol. IT-10, April 1964, S. 134 bis 138), beschrieben, forderlich sind. Ebenfalls bekannt sind Verfahren zur Fehlerbündel-Fig. 2 zeigt das Betriebsablaufprogramm der korrektur, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Schaltungsanordnung. Der erste Codierer 2 hat die in beiden Decodierstufen verwendet werden können. Aufgabe, die Daten gegen Fehlerbündel zu schützen. 65 Hierzu wird wieder auf das Buch von R. G. GaI-Hicrzu übernimmt er direkt von der Datenquelle je- lager, speziell Kapitel 6.10. und auf das Buch von weils A₁ Informationsbits 13. berechnet hierfür W₁ W. W. Peterson, speziell Kapitel 10.5. verwiesen. Rcdundan/-Bits und bildet Datenblöcke Ϊ4 der 'k-im ertnidungsgcmaßcn Verfahren kann jedoch

<r

ίο

für beide Decodierer der Ort und die Länge der zu und beide Decodierer sowie das Ausgabewerk oder korrigierenden Bündel aus der Kanalzustandsmessung die Datensenke entsprechend dem Ergebnis der Btermittelt werden. In der Veröffentlichung von Wertung zu steuern. Sie erhält ihre Informationen als H. Ohnsorge: »Ein Verfahren zur Korrektur von Fehlermeldesignale vom Störungsdetektor und vom Fehlerbursts größtmöglicher Länge« [Bulletin SEV 5 ersten Decodierer 7. Der Störungsdetektor kann bei-(Schweiz), 61, 1970, S. 720 bis 724], wird eine Schal- spielsweise so aufgebaut werden, daß er bei jedem tungsanordnung beschrieben, die beispielswei.e bei als gestört erkannten Nachrichtenblock der Länge n., dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wer- ein Fehlermeldesignal Sl und bei stark gestörtem den kann. Der Vorteil der Angabe von Ort und Block der Länge n., ein Fehlermeldesignal 53 über Länge der zu korrigierenden Fehlerbündel gegenüber io die Leitungen 111 an die KZM 12 abgibt.
Verfahren, bei denen der redundante Code den Ort Der erste Decodierer 7 verarbeitet jeweils Datendes Bündels selbst bestimmen muß, liegt darin, daß blöcke der Länge n., und liefert an die KZM 12 Fehderselbe redundante Code Fehlerbündel der doppel- iermeldesignale über die Steuerleitungen 71. Als Fehten Länge —, und zwar bis zur Länge m des Redun- Iermeldesignale kommen beispielsweise bei Verwendanzteils eines Codewortes — mit derselben Sicher- 15 dung zyklischer Codes in Betracht

heit korrigieren kann. _s, bei fehlerhaftem Block,

Eine weitere Systemkomponente, deren Ausgangs- _{S2 a},_{s Bjnärzahli die jcweils dje Anzah}, _der signale bei dem erfindungsgemaßen Verfahren von _{durch den DeC}oder7 korrigierten Fehler im der KZM 12 verarbeitet werden, ist der Storungs- Block darstellt und
detektor 11. Derartige Störungsdetektoren beurteilen ao _{S3 bej unkorri}gj_erbarem Block,
die Qualität des empfangenen Analogsignals. Sie können je nach dem verwendeten Modulationsverfahren Diese Signale werden getrennt der KZM 12 zugeim Zeit-, Amplituden- oder Frequenzbereich arbeiten führt. Das Signal 51 kann beispielsweise abgegeben und sowohl am Eingang, am Ausgang oder auch an werden, wenn nach eingelaufenem Datenblock das geeigneter Stelle im Demodulator die Datenbits auf 25 Syndrom (Prüfzahl) von Null verschieden ist.
Störungen überwachen. Mit den Störungsdetektoren Das die Binärzahl darstellende Signal 52 kann beiist es möglich, sowohl die Qualität einzelner Daten- spielsweisc von Syndromregistern abgenommen werbits als auch die Qualität ganzer Datenblocks zu den, wenn der fehlerhafte Datenblock in Korrekturkennzeichnen. Je nach der Wahl der Schwellen für stellung gebracht ist, wobei in bekannter Weise das die Fehleranzeige kann mittels der Störungsdetektoren 30 Fehierrnuster im Prüfzahlregister erscheint und die zwischen schwach und stark gestörten Informations- Anzahl der Einsen die Anzahl der fehlerhaften Binärabschnitten unterschieden werden, wovon beim erfin- zeichen des Blockes angibt

dungsgemäßen Verfahren Gebrauch gemacht wird. Das Signal .V3 wird vom Decoder 7 dann abgcge-

Die Wirksamkeit derartiger Störungsdetektoren, wie ben, wenn er bei seinem Knrrckturvcrsuch erfolglos

sie im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar 35 war.

sind, wird z. B. in der Veröffentlichung von H. Oh η - In vorteilhafter Weise verwendet man für den sorge: »Wirksamkeit von StörungsdeU;ktoren bei ersten Decodierer 7 einen auf Korrektur von sta-Datenübertragung« (NTZ. 1969, Heft 2, S. 113 bis tistisch verteilten Fehlern oder Fehlerbündelkorrek-119), beschrieben. Ausführungsbeispieie zeigt die Ar- tür urnschaltbaren Decodierer. Dieser Decodierer beit von U. Haller: »Error-Correction Systems 40 arbeitet normalerweise auf Korrektur statistisch verwith Signal-Quality Detectors« (Proceedings of teilter Fehler und wird gegebenenfalls von der XVIII Congresso Internazionale per l'Elettronica, KZM 12 umgeschaltet, wobei die Umschaltung von Rom, Mär/. 1971, Vol. 1, S. 379 bis 388). Der wesent- der Fehlerdichte im Kanal abhängig gestaltet wird, liehe Vorteil bei der Verwendung dieser Storungs- die von dt: KZM 12 ermittelt wird,
detektoren liegt darin, daß sie völlig unabhängig von 45 In Fig. 3 isi gezeigt, wie die Bestimmung der Fehdem zur Fehlersicher^.ig verwendeten redundanten lerdichte im einzelnen erfolgt. Die Störungen 21 im Code arbeiten. Indem sie die Störungen der analogen Übertragungskanal führen zu gestört oder fehlerhui! Empfangssignale zur Fehlererkennung und Fehler- empfangenen Nachrichtenahschnittcn 22, die vorortung ausnutzen, entlasten sie den redundanten zugsweise durch die kurzen Datenblöcke der Länge n, Code bzw. ermöglichen höhere Korrekturfähigkeiten 50 des zweiten Codierers 3 gegeben sind. Ebenso ist es durch die Coderedundanz. möglich, für die Beurteilung der empfangenen Nach-Das Ausgabewerk 9 kann beispielsweise als übliche richlenabschnitte 22 die Meldungen des Störungs-Torschaltung ausgebildet sein. Im Falle erfolgter detektors zu verwenden. Die Fehleranzeigen des Korrektur passieren die korrigierten Daten die Tor- ersten Decodierers 7 und/oder die Störungsanzeigen schaltung ungehindert. Stellten jedoch die KZM 12 55 des Störungsdetektors werden von der KZM 12 vor- oder der zweite Decodierer 8 nicht korrigierbare In- teilhaft auf folgende Weise verarbeitet:
formationsabschnittü fest, so gibt diejenige Einheit. In jcweils L empfangenen und aufcinanderfolgendic einen Fehler erkennt, ein Steuersignal ab, das je den Nachrichlenabschnitten wird die Anzahl ζ der nach Auslegung der Schaltung oder manueller Ein- darin enthaltenen gestörten und oder fehlerhaften stellung entweder die Torschaltung über die Leitun- 60 Nachrichtenabschmtie ermittelt. Diese Zahl ζ wird gen 124 bzw. 81 sperrt, so daß die zugehörigen Daten auf die sogenannte Rahmenlänge L bezogen, wobei nicht zur Datensenke sielangen, oder die Datensenke der Wert Λ ■ ζ I. ein Maß für die Dichte von geüber die Leitungen 125 bzw. 82 veranlaßt, den un- störten und oder fehlerhaften Nachrichtenahschnilten sicheren Wert als solchen zu kcnnz.cichnen. innerhalb eines Rahmens der Länge L ist. Dieser Wesentlicher Bestandteil des erfindungsgemaiWn 65 Wert el ist ferner ein indirektes Maß für die Biniir-Vcrfahrcns ist die KZM 12. Aufgabe dieser K/M 12 fehlerra...· des Übertriigiingskanals während der Überisl es, die im Augenblick der Übertragung im Über- training von Daten in einem Zeitabschnitt der tragungskanal auftretenden Störungen /u bewerten Langt· /.. da vorausgesetzt wird, daß innerhalb eines

solchen Rahmens der Länge L die Binärfehlerrate im Übertragungskanal konstant ist.

Dieser Rahmen der Länge L wird, wie Fig. 3 in der Position 23 zeigt, bei jedem empfangenen Nachrichtenabschnitt um einen Nachnchtenabschnitt verschoben. Auf diese Weise erfolgt die Dichtemessung kontinuierlich.

Durch Vorgabe von Grenzwerten für das Dichtemaß d werden die Störungen des Übertragungskanals in Dichtezonen 24 unterteilt. Je nach der Festlegung der Grenzen für die Werte d können z. B. die empfangenen Nachrichten in Zonen geringer, mittlerer und hoher Fehk-rdichte unterteilt werden. Da aus der Dichtemessung auch die Lage dieser Dichtezonen und ihre Länge bekannt ist, steuert die KZM 12 mit ihren Ausgangssignalen den Einsatz der beiden Decodierer.

In Zonen geringer Fehlerdichte korrigiert der erste Decoder 7 mit hinreichender Sicherheit statistisch verteilte Fehler. In Zonen mittlerer Fehlerdichte — also Zonen mit kurzen Fehlerbündeln — schaltet die KZM 12 den ersten Decodierer 7 um auf Fehlerbündelkorrektur, und in Zonen hoher Fehlerdichte — also Zonen mit langen Fehlerbündeln — werden Ort und Länge der Fchlerbündel dem zweiten Decodierer 8 mitgeteilt und von diesem überprüft und wenn möglich korrigiert.

Ferner kann die KZM 12 in Zonen sehr hoher Fehlerdichtc, in denen die Coderedundanz beider Codierstufen nur noch zur Fehlere¹' nng und nicht mehr zur Fehlerkorrektur ausreicht, entsprechende Signale abgeben, wie z. B. zum Unterbrechen des Korrekturvorganges, insbesondere des Korrekturvorganges durch den ersten Decodierer 7, zum Sperren des Ausgabewerks oder zum Markieren der fehlerhaften Daten.

F i g. 4 zeigt als spezielles Ausführungsbeispiel die Anwendung der KZM 12 zur Bestimmung von Fehkrbündeln nuwh Ort und Länge, die von dem zweiten Decodierer 8 zu korrigieren sind. Die Störungen 25 im Übertragungskanal überlagern sich den ausgesendeten Baten, so daß die Ernpfar.gsfolge 26 ein Fehlerbündel un'i zusätzlich statistisch verteilte Fehler enthält. Aus den Fehleranzeigen 27 des ersten Decodierers 7 und den Störungsanzeigen 28 des Störungsdetektors bestimmt die KZM 12 das Fehlerbündel 29 nach Ort und Länge, wobei sich die Ortsangabe auf den Block des Decodierers 8 bezieht. Diese Bündel/one 29 entspricht der oben beschriebenen Zone mit honer Fehlerdichtc. deren Orts- und Längenangabe durch die KZM 12 durch weitere Kriterien vervollständigt wird.

Im Anschluß an das Fehleranzeigesignal 27 beginnt die erste Decodierstufe 7 die Datenblöcke der Länge/j,, zu korrigieren. Sobald diese Blöcke so viele Fehler haben, daß sie durch den redundanten Code nicht mehr korrigierbar sind, gibt der erste Decodierer 7 für diese Blöcke jeweils eine Anzeige 30 für nicht korrigierbaren Block an die KZM 12 ab.

Weiterhin zeigt der Störungsdetektor unzulässig stark gestörte Blöcke 31 der Länge «., an. Dazu hat der Slörungsdctcktor 11 eine weitere Schwelle, die sich von der Schwelle für Störungsanzeigen /ur Fehlerdichtcmessung und der dazugehörigen Anzeige 27 unterscheidet. Diese weitere Schwelle kann z. B. darin bestehen, daß der Störungsdetektor die bitweisen Störungsan/eigen 28 über die Datenblöcke der Länge «., aufsummiert und dann ein /usat/Iiches Signal »slark ircstorkT Block ' 31 abgibt, wenn die Zahl der gestörten Binärzeichen so groß ist, daß eine Korrektur des zugehörigen Datenblocks der Länge /J₂ durch den ersten Decodierer? nicht mehr mit ausreichender Zuverlässigkeit erfolgt.

In der KZM 12 wird die durch die Fehlerdichtemessung ermittelte Bündelzone 29 um die nicht korrigierbaren 30 und die stark gestörten Blöcke 31 erweitert; das Ergebnis ist eine erweiterte Bündelzone 32, die nach Ort und Länge festliegt. Anfang und

ίο Ende dieser Bündelzone sind die Übergänge zwischen den Zonen mit schwachen und starken Kanalstörungen. In diesen Übergangsbereichen ist insbesondere die Fehlerdichtemessung 23 (Fi g. 3) bzw. 29 (Fig. 4) mit höherer Unsicherheit behaftet. Daher wird in vorteilhafter Weise durch die KZM 12 die Bündelzone 32 an ihrem Anfang und Ende jeweils um einen Sicherheitsbereich e, wie in Zeile 33 gezeigt. Die Länge e ist ein Parameter, dessen Wert nach dem Unterschied der Störungsintensitäten in den einzelnen

ao Dichtezonen gesteuert wird. Ist beispielsweise der Unterschied grolP, so genügt ein kleiner Sicherheitsbereich von nur wenigen Binärzeichen.

Das um die Sicherheitsbereiche erweiterte Fehlerbündel wird von der KZM 12 der zweiten Decodierstufe 8 übertragen. Zur weiteren Steigerung der Sicherheit ist es vorteilhaft, mit der Decodierstufe 8 die Länge des von der KZM 12 ermittelten Bündels 33 zu kontrollieren. Hat das ermittelte Bündel eine zulässige Maximallänge B_zul überschritten, wird der zugehörige Datenblock von der zweiten Decodierstufe als unkorrigierbar gekennzeichnet und nicht dem Korrekturprozeß unterworfen. Die einfachste Ausfuhr':ngsform der 3ündelkontrolle ist dann gegeben, wenn B₂₁₁, gleich der Länge /n, des Redundanzteiles des fehlerbündelkorngierenden Codes gewählt wird. Sobald ein Bündel die Länge w, überschreitet, kann es durch den zweiten Decodierer nicht mehr mit Sicherheit korrigiert werden, obwohl sein Ort im Datenblock der Länge n, und seine Länge bekannt ist.

F.ine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die maximal zulässige Länge korrigierbarer Bündel B₂₁₁, um einen Wert α kleiner zu wählen, als die Redundanzlänge m, des fehlerbündelkorrigierenden Codes. In diesem Fall muß beim Korrekturprozeß das Decodier- oder Syndromregister an seinem Ende einen Syndromrest mindestens der Länge α enthalten, der in allen seinen «-Positionen die Wertigkeit 0 hat. wenn das /u korrigierende Bündel in den ersten β,,,,-Positionen des Syndromregisters steht. Diese Prüfung des Syndromrestes ist in einfacher Art und Weise mit einer Nullprüfschaltung dann durchzuführen, wenn der Anfang des von der KZM 12 angezeigten Bündels sich am Anfang des Decodierregisters befindet. Diese Nullprüfschaltung ist in an sich bekannter Weise, z. B. mit einer NuIlkoinzidenzschailung an den letzten «-Stufen des Syndromrcgisters, realisierbar. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Prüfung des Syndromrcstes der Länge α mit hoher Sicherheit einen von Null verschiedenen Wert ergibt, wenn sich in dem zu korrigierenden Block außer dem \on der KZM 12 angezeigten Bündel noch weitere Fehler befinden, die weder durch die KZM 12 noch durch die erste De codierstufe erkannt wurden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des trliiidunts gemäßen Verl.ih.eiis besteht ferner darm, die Daten blöcke, die unKorrieicrbarc Bündel enthalten im In

2 250 301

vollständig zu verwerfen, sondern aus ihnen die Informationsteile an die Piitensenke weiterzugeben, die fehlerfrei empfangen oder korrigiert wurden. Dadurch läßt sich die Informationsrate, die das Datensicherungsverfahren an die Datensenke abgibt, nochmals steigern. Zur Feststeilung derartiger Jnformationstcile, die an die Dalenscnke gegeben werden können, bietet das errlndungsgcmäße Verfahren eine Fülle von Möglichkeiten und Kriterien, von denen hier nur zwei als Ausführungsbeispielc genannt werden.
Enthält ein Datenblock des ersten Codierers mit

unkorrigierbarem Bündel auch eine von der KZM12 festgestellte Zone geringer Fchlcrdichte, so können die in dieser Zone enthaltenen Informationen an die Dalensenke abgegeben werden, sobald sie den ersten Decodierer 7 durchlaufen haben.

Weiterhin ist es möglich, sogar aus der Fehlerbündclzone Informationsteile an die Datensenke weilerzugeben, nämlich dann, wenn diese Teile von der ersten Decodierstufe als fehlerfrei erkannt wurden ίο und wenn der Störungsdetektor feststell;, daß sie nur sehr schwach oder überhaupt nicht gestört sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (19)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur gesicherten Datenübertragung über gestörte Nachrichtenkanäle, bei dem aus den zu übertragenden binärer» Nachrichtenzeichen nach vorgegebenen Codiervorschriften redundante Binärzeichen abgeleitet werden, die im Anschluß an die Nachrichtenzcichen ebenfalls über den Übertragungskanal übertragen werden, und bei dem auf der Empfangsseite mit Hilfe der redundanten Binärzeichen die Nachrichtenzeichen zurückgewonnen v/erden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender aufeinanderfolgender Verfahrensschritte: »5

a) auf der Sendeseite werden die von einer Datenquelle (1) abgenommenen Daten zunächst einem ersten Codieier (2) zugeführt, der in an sich bekannter Weise aus jeweils k_t In- an formationszeichen der Datenquelle zur Fehlerbündelkorrektur geeignete Codewörter der Länge/J₁ -- A₁ 4 m, mit/n, Redundanzzeichen aufbaut;

b) die Codeworte jeweils der Länge /J₁ v/erden in einem zweiten Codierer (3) in Sequenzen der länge k., unterteilt und in an sich bekannter Weise durch einen linearen systematischen Code mit m., Redundanzzeichen gegen statistisch verteilte Fehler zu Code-Wörtern der Länge n., = k., -+ m., umgeformt;

c) die üblicherweise als Folge von Binärzeichen anfallenden Codewörter des zweiten Codierers (3) werden durch einen Modulator (4) in an sich bekannter Weise in Analogsignale umgewandelt und auf den Übertragungskanal (5) gegeben;

d) auf der Empfangsseite werden die dem Kanal entnommenen analogen Signale durch einen Demodulator (6) in Binärzeichen zu- 4» rückverwandelt und gleichzeitig durch einen Störungsdetektor (11) auf Störungen geprüft, wobei der Störungsdetektor die von ihm erkannten Störungen an eine Einrichtung zur Kanalzustandsmessung (12) meldet;

e) die wieder in digitaler Form vorliegenden Daten werden einem ersten steuerbaren Decodierer (7) zugeführt, der aus den Blöcken der Länge n., die Sequenzen k₂ zurückgewinnt und dabei gestörie Blöcke der Länge n., durch ihn nicht korrigierbare Blöcke der Länge n., und Blöcke, bei denen Fehler korrigiert wurden, ebenfalls der Einrichte i zur Kanalzustandsmessung meldet;

f) die Eii'rich'ung zur Kanalzustandsmessung ermittelt aus den Angaben des Störungsdetektors und des ersten Decodie-ers (7) den Störungszustand des Übertragungskanals, leitet hieraus die Entscheidung ab, ob der Decoder (7) statistisch verteilte Fehler, Fchlerbündel oder ob der Decoder (7) nicht korrigieren soll und liefert die entsprechenden Steuersignale an den Decoder (7);

g) anschließend gelangen die Sequenzen k_t zu einem ^weiten Decodierer (8), der zunächst die Sequenzen zu Blöcken jeweils der Länge /i, zusammenfaßt und die Aufgabe hat, die Rückgewinnung der Information A₁ aus dem Block der Länge «, allein durch Fehlerbündelkorrcktur durchzuführen, wobei der Decodierer (8) den Ort und die Länge des Fehlerbündels von der Einrichtung zur Kanalzustandsmessung gemeldet bekommt und die Redundanz eines Blockes nur zur Fehlerkorrektur und/oder Fehlererkennung benutzt;

h) im Falle, daß die Einrichtung zur Kanalzustandsmessung kein Fehlerbündel ermittelt hat, veranlaßt sie nun den Decoder (S)₁ den Block /I₁ von der Redundanz m_t zu befreien; im Falle, daß die Einrichtung zur Kanalzustandsmessung ein Fehlerbündel ermittelt hat, veranlaßt sie den Decoder (8) gesteuert durch Steuersignale, die den On und die Länge des Fehlerbündels kenn zeichnen, das Fehlerbündel zu korrigieren, wobei der Decoder (8) durch einen Nulltest prüft, ob die Fehlerbündellänge eine vorgegebene Grenzlänge überschreitet; ergibt die Prüfung, daß die vorgegebene Grenzlänge überschritten wird, so gibt der Decoder (8) ein Steuersignal ab, ergibt jedoch die Prüfung, daß die vorgegebene Grenzlänge nicht überschritten wird, so korrigiert der Decoder (8) das Fehlerbündel;

i) der Decoder (8) gibt die Daten, befreit von der Redundanz, an ein Ausgabewerk (9), welches vom Steuersignal des Decoders (8) und/oder von der Einrichtung zur Kanalzustandsmessung gesperrt werden kann, falls vom Decoder (8) fehlerhafte Daten zu erwarten sind;

k) ist das Ausgabewerk (9) nicht durch ein »gestörte Daten« kennzeichnendes Signal des Decoders (8) oder der Einrichtung zur Kanalzustandsmessung gesperrt, gibt es die Daten an die Datensenke (10) frei.

2. Verfahren nach Anspruch 1, für den Fall, daß stets die Ausgabe der Daten erwünscht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal des Decoders (8) und/oder der Einrichtung zur Kanalzustandsmessung bei fehlerhaften Daten nicht tlas Ausgabewerk sperren, sondern die Datensenke veranlassen, die ausgegebenen Daten als fehlerhaft zu kennzeichnen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Grenzlänge für die Fehlerbündelkorrektur die Redundanzlänge des fehlerbündelkorrigierenden Codes abzüglich einer ausreichenden Folge von Bits für den vorgesehenen Nulltest gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die F.inrichtung zur Kanalzustandsmessung Steuersignale an das Ausgabewerk abgibt, welche die Ausgabe /on richtigen Teilinformationsabschnitten innerhalb der nicht korrigierbaren Informationsabschnitte bewirken.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Kanalzustandsmessung aus den Signalen des Stördeiektors und/oder des ersten Decoders (7) die Auftrittshäufigkeit dieser Signale jeweils innerhalb eines Rahmens von L aufeinander-

folgenden Nachrichtenabschnitten der Längt· n., ermittelt, wobei bei jedem empfangenen Nachrichtenabschnitt eine Auswertung über die Rahmenlänge L erfolgt, und daß die Einrichtung 7ur Kanalzustandsmessung aus der Auftrittshäufigkeit von gestörten oder fehlerhaften Nachrichtenabschnitten der Länge n., innerhalb eines Rahmens der Länge L Steuersignale für die Decodierer (7, 8), für das Ausgabewerk (9) und für die Datensenke (10) ableitet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Fehlerdichtemessung spezielle Fehlerdichtezonen innerhalb einer Empfangsfolge nach Ort und Länge bestimmt werden, wobei die Fehlerdichtezonen durch vorgegebene Schwellwerte d (Zeile 23, in Fi g. 3) für die Auftrittshäufigkeit von gestört oder fehlerhaft empfangenen Nachrichtenabschnitten der Länge n_t innerhalb jeweils eines Rahiruns von L aufeinanderfolgenden Nachrichtenabschnitten unterschieden werden, und daß innerhalb einer Dichtezone mittels hierdurch bestimmter Steuersignale an die Decoder die Fehlerkorrektur mit unterschiedlichen Verfahren erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch pekennzeichnet, daß bei der Fehlerdichtemessung die Schwellwerte d so vorgegeben werden, daß damit innerhalb eines empfangenen, durch den redundanten Code geschützten Nachrichtenblocks zwischen Zonen unterschieden wird, in denen Fehlerbündelkorrektur, Korrektur statistisch verteilter Fehler oder Fehlererkennung durchgeführt werden kann.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Fehlerdichtemessung definierte Zone für Fehlerbündelkorrektur erweitert wird unter Verwertu ,y ι Anzeigesignalc des ersten Decodierers (7) über nicht korrigierbare Nachrichtenabschnitte und des Störungsdetektors über besonders stark gestörte Nachrichtenabschnitte.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Fehlerdichtemessung erkannte Zone hoher Fehlerdichte (Zone für ieblerbündelkorrektur) an ihren beiden Enden durch Sicherheitsbereiche erweitert wird.

II). Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß von den Datenblöcken, die fehlerhaft vom Übertragungskanal empfangen wurden und von dem ersten Decodierer (7) »korrigiert« wurden, jedoch von der Hinrichtung zur Kanal'ustandsmessung oder von dem zweiten Decodierer (8) als unkorrigierbar bezeichnet werden, diejenigen Informationsteile an die D tensenke ausgegeben werden, die entsprecheiiJ der Auswertung der Einrichtung /ar Kanalzustandsmessung in Zonen geringer Übertragungsfehlerdichte empfangen wurden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche f> Hn bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß von den Datenblöcken, die von der Einrichtung zur Kanalzustandsmessung oder von dem zweiten Decodierer (8) als unkorrigierbar bezeichnet werden, diejenigen Informationsteile, die in Zonen hoher Fehlerdichte liegen, dann an die Datensenke ausgegeben wrden, wenn sie von dern ersten Decodierer (7) als fehlerfrei erkannt wurden und wenn in ihnen die Slrtrungsmcldungen des StO-rung'sdetcktors eine vorgegebene Schranke nicht überschreiten.

12. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Datensicherung folgende Geräte und Einrichtungen auf der Sendeseite wie angegeben in Reihe geschaltet sind:

eine Datenquelle (1),

ein erster Codierer {%) zur Bildung von zur Fehlerbündelkorrektur geeigneten Codewörtern,

ein zweiter Codierer (3) zur Bildung von zur Korrektur von statistisch verteilten Fehlern geeigneten Codewörtern,
ein Modulator (4) zur Umwandlung von Binärzeichen in analoge Signale,

daß zur Fehlerkorrektur und Datenausgabe auf der Empfangsseite folgende Geräte und Einrichtungen wie angegeben in Reihe geschaltet sind:

ein Demodulator (6) zur Umwandlung der analog eintreffenden Signale in Binärzeichen, ein steuerbarer erster Decodierer (7) zur Erkennung und/oder Korrektur von vorwiegend statistisch verteilten Fehlern, ein zweiter steuerbarer Decodierer (S) zur Korrektur von Fehlerbündeln mit einer Einrichtung zur Signalabgabe bei nicht korrigierbarem Block,

ein sperrbares Ausgabewerk (9) zur Steuerung der auszugebenden Daten, eine Datensenke (10),

daß ein Stördetektor (11) zur Erkennung von Störungen auf dem Übertragungskanal an dem Demodulator (6) angeschlossen ist, daß der Störungsdetektor und der erste Decodierer (7) über Störunge- bzw. Fehlermeldeleitungen mit einer Einrichtung zur Kanalzustandsmessung (12) verbunden sind, welche die Störunge- und Fehlermeldungen verarbeitet und daraus Steuersignale ableitet, daß die Einrichtung zur Kanalzustandsmessung über Steuerleitungen mit den Decodern (7, 8), dem Ausgabewerk (9) und der Datensenke (10) verbunden ist und deren Funktion in Abhängigkeit von dem Störungszustand im Übertragungskanal steuert.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Decodierer (7) umschaltbar ist auf Korrektur statistisch verteilter Fehler oder auf Korrektur eines Fehlerbündeis und daß die Umschaltung durch die Einrichtung zur Kanalzustandsmessung durchgeführt wird.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch \~u dadurch gekennzeichnet, daß der erste Decodierer (7) eine Einrichtung enthält zur Erzeugung eines Meldesignals an die Einrichtung zur Kanal zustandsmessung. das bei jedem fehlerhaft er kannten Block der Länge n, abgegeben wird.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14. dadurch gekennzeichnet, daß der erste Decodierer (7) zusätzlich eine Einrichtung enthält zur Erzeugung eines Meldesignals an die Einrichtung zur Kanalzustandsmessung, das bei jedem nicht korrigierbar erkannten Block der Länge n._{ abgegeben wird.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, statistisch verteilt auftretende Fehler zu schützen, dadurch gekennzeichnet, daß der Decodierer (8) Solche Kanäle liegen z. B. bei Übertragungen im die Angaben über Ort und Länge eines zu korri- Weltraum vor.

gierenden Fehlerbündels über mindestens eine Eine weitere Klasse von Verfahren dient zur Kor-

Steuerleitung von der Einrichtung zur Kanal- s rektor von Fehlerbündeln, wie sie beispielsweise auf zustandsmessung erhält. Fernsprechwählkanälen mit Wähleinrichtungen älte-

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, rer Bauart zu erwarten sind.

dadurch gekennzeichnet, daß auch der erste De- Die verschiedenen Arten von Vorwärtskorrektur-

codierer (7) die Angaben über Ort und Länge verfahren sind zwar sehr gut geeignet, die spezielle eines zu korrigierenden Fehlerbündels über io Fehlerstruktur zu sichern, für die sie ausgelegt sind, Steuerleitungen von der Kanalzustandsmessung sowie aber andere Fehlertypen auftreten, versagen erhält. sie weitgehend. So ist z. 3. ein bündelkorrigierendes

18. Schaltungsanordnung nach einem der An- Verfahren nahezu unbrauchbar auf einem Übertrasprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß gungskanal mit statistisch verteilten Fehlern, und umder Störungsdetektor (11) oder, falls dieser die 15 gekehrt.

Störmeldungen bitweise abgibt, die Einrichtung In der Praxis sind Übertragungskanäle mit diesen

zur Kanalzustandsmessung zwei Schwellwerte speziellen Fehlerstrukturen nur selten anzutreffen, besitzt, von denen der eine zur Erkennung ge- Die meisten Datenübertragungsverbindungen sind störter und der andere zur Erkennung stark ge- sowohl durch Fehlerbündel als auch durch statistisch störter Blöcke der Länge n₂ ausgelegt ist, und daß so verteilte Fehler gestört, die praktisch gleichzeitig der Störungsdetektor diese Informationen ge- auftreten bzw. sich überlagern. Bei Funkverbinduntrennt an die Einrichtung zur Kanalzustands- gen — für deren Sicherung das erfindunpsgemäße messung (12) abgibt. Verfahren besonders gut geeignet ist — ist es z. B.

19. Schaltungsanordnung nach einem der An- zu erwarten, daß die Kanäle durch statistisch verspräche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß 25 teilte Fehler mit Bitfehlerraten bis zu 10~³ gestört das Ausgabewerk und die Datensenke mit der sind um., daß sich diesen Fehlern noch Fehler-Einrichtung zur Kanalzustandsmessung und dem bündel — bedingt durch Fadings — fremde Sendezweiten Decodierer (8) verbunden sind und die quellen o. ä. überlagern, wobei diese Bündel bis zu Steuerleitungen wahlweise auf »Datenausgabe einigen Sekunden mit Fehlerdichten bis zu 0,5 anmit Kennzeichnung fehlerhafter Daten« oder auf 30 dauern können.

»keine Datenausgabe« umschaltbar sind. Für diese sogenannten »gemischten Fehlerstruk

turen« wurden ebenfalls bereits Vorwärtskorrekturverfahren und Decodieralgorithmen entwickelt. In

dem Aufsatz von D. L. C ο h η et. al.: »Performance

35 of Selected Block and Convolutional Codes on a Fading HF Channel« (IEEE Transactions on Inf. Theory, Vol. IT-14, Nr. 5, September 1%8, S. 627

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine bis 640) wird ?.. B. die Wirksamkeit von ein- und Schaltungsanordnung zur gesicherten Datenübertra- zweistufigen Verfahren mit Codespreizung in einer gütig über gesiörie Nachrichtenkanäie, bei dem aus 40 oder beiden Codierstufen mit konvolutionellen Verden zu übertragenden binären Nachrichtenzeichen fahren, die mit Schweilwertcodierung arbeiten, vernoch vorgegebenen Codiervorschriflen redundante glichen. Um Kanalfehlerraten zwischen 10 ² und Binärzeichen abgeleitet werden, die im Anschluß an 10~^:) auf Restfehlerratcn von 10 ^s ... 10 ⁶ herabdic Nachrichtenzeichen ebenfalls über den Über- zusetzen, werden bei 50°/« Redundanz je nach Fehtragungskanal übertragen werden, und bei dem auf 45 lerstruktur Veiknüpfungslängen von 5000 bis 63 000 der Empfangsseite mit Hilfe der redundanten Binär- Binärzeichen benötigt.

zeichen die Nachrichtcnzcichen zurückgewonnen Es zeigt sich, daß die Stufencodierung gegenüber

werden. den anderen Verfahren Vorteile besitzt, da die ein-

Es ist bekannt, zur gesicherten Datenübertragung zelnen Stufen an die Fehlerstruktur getrennt angepaßt sogenannte »Vorwärtskorrektursysteme« einzusetzen, 50 werden können. Ein Verfahren zur Stufencodierung, bei denen die zu übertragenden Daten im Sender mil bei dem Codierschaltungen in mehreren Stufen hineinem redundanten Code codiert werden. Auf der tereinandergeschaltet werden, ist aus der deutschen Empfangsseite erfolgt dann die Korrektur der Über- Auslegeschrift 1 290 950 bekannt, tragungsfehler mit Hilfe der über den Kanal mit- Nachteile dieser bekannten Sicherungsverfahren

übertragenen Codcredundanz. Für diese Vorwärts- 55 sind, daß sie auf stark gestörten Übertragungskanälen korrektur gibt es eine Fülle von Codier- und De- zu große Verknüpfungs- bzw. Blocklängen erfordern codiervcrfahrcn, die teilweise auch schon in Hard- und daß die mit ihnen erreichbare Restfehlerwahrwaresystemen realisiert wurden. Zum Stand der scheinlichkeit für viele Anwendungsfälle noch zu Technik der Codier- und Decodiertcchnik sei auf die hoch ist.

Literatur verwiesen, /. B. auf das Buch von 60 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein R. (i. Ci a I lager: »Information Theory and ReIi- Verfahren bereitzustellen, das diese Nachteile vcralik· Communication", (J. Wiley and Sons, New York, meidet und so in der Lage ist, bei kürzeren Verl'JnK). speziell auf die Abschnitte 5 und 6. kniipfungslangen geringere Restfehlürraten zu er-

Dr- verschiedenen Codier- und Decodicrverfahren reichen.

wurden einwickelt, um mil ihnen unterschiedlich ge- 65 Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 ansi..tu f Ih rit,i(iui^sk;in.ile /u siehern. So ist /B. gegebene Erfindung gelöst. Weitere Verbesserungen f., KIi .1 Mm V(iiw;iriskorreklurverf;ihren heson- und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un-,1 ι -ή,' um O.iteniiliertra^impcn pcficn tcransprtichen angegeben.