DE2656975C3 - Verfahren zur Übertragung von modulierten Datensignalen mittels adaptiver Deltamodulation - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Übertragung von modulierten Datensignalen unter Anwendung von adaptiver Deltamodulation.

Bei Anwendung von Deltamodulation zur Nachrichtenübertragung wird sendeseitig das zu modulierende Analogsignal, beispielsweise ein Sprachsignal, zu äquidistanten Zeitpunkten mit einem aus dem deltamodulierten Signal gewonnenen Schätzsignal verglichen, wobei bei einem positiven Vergleichsergebnis der eine und bei einem negativen Vergleichsergebnis der andere Binärzustand übertragen wird. Die Abtastfrequenz ist so gewählt, daß sich die Amplitude des zu modulierenden Analogsignals zwischen zwei Abtastzeitpunkten höchstens um die Höhe einer vorgegebenen Quantisierungsstufe ändert Die Höhe der Quantisierungsstufe soll bei kleinen Amplitudenwerten des Analogsignals klein sein, damit im empfangsseitig rekonstruierten Signal das Quantisierungsgeräusch niedrig bleibt Andererseits soll bei großen Amplitudenwerten und hohen Signalfrequenzen des Analogsignals die Quantisierungsstufe groß sein, damit die Verzerrungen durch die sogenannte Steigungsüberlastung gering sind. Diese Verzerrungen treten dann auf, wenn die Steigung des Analogsignals größer ist als die entsprechende, sich aus dem Produkt von Stufenhöhe und Abtastfrequenz ergebende Steigung des Schätzsignals. Beide Verzerrungen, sowohl das Quantisierungsgeräusch als auch die Verzerrungen durch Steigungsüberlastung kann man nun dadurch niedrig halten, daß die Quantisierungsstufe variabel gestaltet wird. Die Steuerung der Stufenhöhe geschieht dabei proportional zur Steigung des Analogsignals, wobei die entsprechende Information aus dem deltamodulierten Signal gewonnen wird. Deltamodulationsverfahren mit variabler Quantisierungsstufe heißen auch adaptive Deltamodulationsverfahren. Bei der Anwendung von adaptiver Deltamodulation für die Übertragung von Sprachsignaien wird von der Eigenschaft des Sprachsignals ausgegangen, daß für die Dauer einer gesprochenen Silbe die Amplitude der Hüllkurve annäherend konstant bleibt Während dieser Dauer sollte daher die Quantisierungsstufe aur gering verändert werden. In der DE-OS 19 11431 ist eine Übertragungsvorrichtung zur Signalübertragung durch Deltamodulation angegeben, welche nach derartigen Gesichtspunkten ausgelegt ist Zur Bestimmung der Steigung des Analogsignals werden dabei drei oder mehrere aufeinanderfolgende Binärimpulse des deltamodulierten Signals auf Koinzidenz überprüft Von der Impulsfolge dieser Koinzidenzentscheidungen wird der Mittelwert gebildet, welcher als Steuersignal für die Höhe der Quantisierungsstufe dient

Es kann in einem Nachrichtenübertragungssystem, bei dem adaptive Deltamodulation angewandt wird, notwendig sein, modulierte Datensignale anstelle von Sprachsignalen zu übertragen. Die Datenübertragung über Fernsprechverbindungen erfolgt in der Regel mittels sogenannter Modems. Dabei wird ein binäres rechteckförmiges Datensignal auf der Sendeseite in ein für den Übertragungskanal geeignetes moduliertes Datensignal umgewandelt und daraus auf der Empfangsseite wieder das binäre rechteckförmige Datensignal erzeugt. Diese Umwandlung geschieht mittels bestimmter Modulationsverfahren. So hat sich für Datensignale mit Bitfolgefrequenzen <I2OO bit/s die Frequenzmodulation durchgesetzt Die CCITT-Empfehlung V 23 liefert hierzu einen Normierungsvorschlag. Aufgrund dieses Vorschlags bilden die beiden Kennfrequenzen 1300Hz und 2100Hz die Symbole für die übertragene Information. Für Datensignale mit Bitfolgefrequenzen < 1200 bit/s hat sich die Phasendifferenzmodulation durchgesetzt. Die CCITT-Empfehlungen

V 26, y 26, bis V 27, V 27 bis und V 27 ter liefern dazu Normierungsvorschläge. Bei dieser Modulationsart wird im Rhythmus einer Symbolfolgefrequenz f_s die Phasenlage eines Trägers uingetastet wobei die jeweilige Differenz der zwischen zwei Tastzeitpunkten auftretenden Phasenlagen das Symbol für die übertragene Information ist Die Anzahl m der zur Übertragung verwendeten Symbole bzw. Phasendifferenzen richtet sich dabei nach der ausnutzbaren Bandbreite des Sprachkanals und der Übertragungsgeschwindigkeit ι ο bzw. Bitfolgefrequenz fb des binären rechteckförmigen Datensignals. Allgemein gilt m = 2", wobei η die Anzahl der zu einer Bitkombination zusammengefaßten Bits des rechteckförmigen Datensginals ist. Jeden möglichen Binärzustand dieser Bitkombination ist dabei eine is bestimmte Phasendifferenzlage zugeordnet Für die Bitfolgefrequenz 4 gilt dabei die Beziehung 4 = π ■ f*

In der CCITT-Empfehlung V 26 wird ein Modem für eine Bitfolgefrequenz von 2400 bit/s vorgeschlagen, der mit vier Symbolen bzw. Phasendifferenzlagen arbeitet Das rechteckförmige Datensignal wird dabei zu Bitkombinationen von π = 2, auch Dibits genannt zusammengefaßt Die Symbolfolgefrequenz (bei diesem Beispiel auch Dibitfrequenz genannt) beträgt daher 1200 Hz. Bei einem Modem für eine Bitfolgefrequenz 2:> von 4800 bit/s, welcher nach der CCITT-Empfehlung

V 27 aufgebaut ist beträgt die Symbolfolgefrequenz 1600 Hz(n = 3).

Bei einer weiteren Modulationsart der Phasenreferenzmodulation, werden die Symbole für die übertragene Information nicht aus der jeweiligen Differenz zweier zeitlich aufeinanderfolgender Phasenlagen, sondern aus der Differenz der Phasenlage eines getasteten Trägers in Bezug auf die konstante Phase eines Referenzträgers gebildet «

Um die Eigenschaften eines Systems, bei dem ein solches moduliertes Datensignal mittels adaptiver Deltamodulation übertragen wird, beurteilen zu können, wird dem Eingang des Deltamodulationssenders zusätzlich zu dem modulierten Datensignal ein definiertes Rauschsignal mit einer bestimmten Pegeldifferenz zum Datensignal zugeführt und die Bitfehlerquote zwischen dem eingangs- und ausgangsseitigen rechteckförmigen Datensignal als Funktion des Pegels dieses modulierten Datensignals gemessen. ί ">

Es zeigt sich nun, daß diese Bitfehlerquote nicht konstant ist, sondern nur bei einem mittleren Pegel des modulierten Datensignals einen Minimalwert aufweist und zu größeren und kleineren Pegelwerten hin stark ansteigt. Dieses pegelabhängige Verhalten erweist sich ·">(> deshalb als besonders nachteilig, da die im Betriebsfall als Übertragungsleitung dienenden Leitungen große Dämpfungsunterschiede aufweisen und die übertragenen Signale somit leicht in den Bereich großer Bitfehlerquoten gelangen können. τ>

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Übertragung von modulierten Datensignalen mittels adaptiver Deltamodulation anzugeben. Dabei soll die bei sendeseitiger Überlagerung eines aus weißem Rauschen bestehenden Störsignals auftretende w> Bitfehlerquote im gesamten Pegelbereich des modulierten Datensignals möglichst gering sein. Durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung sollen die Übertragungseigenschaften für ein Sprachsignal, welches an Stelle des Datensignals übertragen werden kann, nicht i< > merkbar verschlechtert werden. Die unterschiedlichen Werte des modulierten DaVensignals bilden die Symbole für die zu übertragene Funktion.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Steuerung der Höhe der Quantisierungsstufen abhängig von der Amplitude der Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz des modulierten Datensignals erfolgt

Im folgenden soll die Erfindung näher beschrieben und erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 das Prinzipschaltbild eines Deltamodulationssenders gemäß der Erfindung für modulierte Datensignale.

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel des Steuernefzwerks SrvonFig. 1.

F i g. 3 das Prinzipschaltbild eines Deltamodulationsempfängers gemäß der Erfindung.

Fig.4 den prinzipiellen Verlauf der Bitfehlerquote des binären rechteckförmigen Datensignals bei einem mittels den Anordnungen nach F i g. 1 und 3 aufgebauten Übertragungssystem unter Verwendung von Modems.

F i g. 5 ein Prinzipschaltbild eines i^altamodulationssenders gemäß der Erfindung für wahlweise Übertragung von Sprachsignalen oder modulierten Datensignalen.

F i g. 6 den prinzipiellen Verlauf der Bitfehlerquote eines m'^ dem Sender nach Fig.5 sowie mit einem entsprechenden Empfänger aufgebauten Übertragungssystem.

Die Anordnung nach F i g. 1 weist eine Differenzstufe Di auf, deren einem Eingang über die Leitung L1 das modulierte Datensignal ν des Modemsenders zugeführt wird. Am anderen Eingang der Differenzstufe Di liegt das Schätz- oder rekonstruierte Signal r an. Das am Ausgang der Differenzstufe Di auftretende Differenzoder Fehlersignal e = v—r wird dem Schwellwertschalter S zugeführt Die Schwelle d^:eses Schwellwertschalters S ist auf das Bezugspotential 0 Volt eingestellt so daß am Ausgang des Schwellwertschalters S lediglich die Vorzeicheninformation des Differerizsignsis e auftritt In der als bistabile Kippstufe ausgeführten Abtastschaltung A wird diese Vorzeicheninformation mit tier Abtastfrequenz f_ab abgetastet Am Ausgang der bistabilen Kippstufe liegt das auszusendende deltamodulierte Signal (/vor, welches sowohl dem Sfeuernetzwerk St und über den Impulswandler IW dem Eingang M1 des Multiplizierers AYaIs auch der Übertragungsleitung L 2 zugeführt wird. Die Steuerspannung U„ am Ausgang des Steuernetzwerkes St wird der Addierstufe Ad zugeführt, welcher über einen weiteren Eingang eine Spannung Δ Uzugeführt wird, die zu dieser Steuerspannung Usi addiert wird. Diese Spannung AU entspricht der im Falle U„ = 0 auftretenden kleinsten Höhe der Quantisierungsstufe. Das Ausgangssignal U_s, + Δ U der Addie.iti:fe Ad gelangt auf den Eingang M2 des Multiplizierers M und wichtet die aus dem Impulswandler / kommenden bipolaren Impulse konstanter Amplitude. Diese in ihrer Höhe beeinflußten Impulse gelangen in das integrierende Netzwerk /, an dessen Ausgang das rekonstruierte Signal r auftritt, welches in der Differenzsutfe Oi mit dem modulierten Datensignal ν vergleichen wird.

Das in F i g. 2 gezeigte Ausführmigsbeispicl des im Prinzipschaltbild in Fig. 1 enthaltenen Steuernetzwerks St weist das Schieberegister SR auf, welches aus einer Anzahl von u Stufen besteht In einer bevorzugten Ausführungsform sind es drei Stufen. Diesem Schieberegister SR wird mit der Abtastfrequenz f,b das von der Abtastschaltung A gelieferte deltamodulierte Signal d eingeschoben. Die Ausgänge sämtlicher Stufen ix. κ...

u) des Schieberegisters SR sind mit den Eingängen des Koinzidenz-Gatters G verbunden, dessen Ausgang nur dann einen Impuls abgibt, wenn an sämtlichen Eingängen entweder der eine oder der andere Binärzustand anliegt Am Ausgang des Koinzidenz-Gatters G ist eine Anordnung angeschlossen, die aus dem Schmalbandfilter BF und der Gleichrichterstufe Gr besteht, welche diesem Schmalbandfilter BF nachgeschaltet ist Der Ausgang der Gleichrichterstufe Gr ist mit dem Eingang des ÄC-Tiefpasses TP1 verbunden, an dessen Ausgang der Eingang des Verstärkers Vr angeschlossen ist. Das Schmalbandfilter BF ist auf die Symbolfolgefrequenz f, des Modems abgestimmt. Wie bereits erwähnt, beträgt diese Symbolfrequenz f_s 1200Hz bei einem der CCITT-Empfehlung V 26 entsprechenden Modem und 1600 Hz bei einem Modem nach V 27. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung liegt die 3 dB Bandbreite des Schmalbandfüicrs BF zwischen 30 Hz und 80 Hz.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei der Übertragung von modulierten Datensignalen mit gegebener Symbolfrequenz, speziell auch phasenmodulierten Datensignalen, ein im Zeittakt der Symbolfrequenz periodischer Anteil der Steigungsüberlastung auftritt, der mit dem Pegel des Datensignals zunimmt.

Die vom Schmalbandfilter BF ausgesiebte Schwingung mit der Symbolfolgefrequenz f, wird in der Gleichrichterstufe Grgleichgerichtet und die entstandenen Halbwellen im nachfolgenden ÄC-Tiefpaß TPi geglättet. Diese gelättete Spannung wird im nachfolgenden, als Gleichspannungsverstärker ausgeführten Verstärker Vr verstärkt, so daß am Ausgang dieses Verstärkers das Signal U_sl zur Steuerung der Höhe der Quantisierungsstufe abnehmbar ist.

In der Empfangsschaltung nach F i g. 3 gelangt das empfangene deltamodulierte Signal d einerseits auf den Impulswandler IW, an dessen Ausgang entsprechend den logischen Werten 1 und 0 des Signals d bioplare impulse konstanter Amplitude vorhanden sind. Andererseits gelangt das Signa! d auf das Sieuernetzwerk St', an dessen Ausgang die Steuerspannung U,. auftritt. Dieses Steuernetzwerk St' ist wie das in Fig.2 dargestellte Steuernetzwerk St aufgebaut. In der Addierstufe Ad' wird analog zu F i g. 1 zur Steuerspannung {/,idie Größe AU addiert. Mit der Ausgangsspannung U₁, + Δ U des Addierers Ad' werden im Multiplizierer M' die von Impulswandler IW kommenden Impulse konstanter Amplitude bewertet. Die so bewerteten Impulse gelangen auf das intergrierende Netzwerk /', das mi* dem integrierenden Netzwerk /des in F i g. 1 dargestellten Senders identisch ist Das mit dem Bandpaß BP gefilterte Ausgangssignal des integrierenden Netzwerks /' stellt eine gute Annäherung des ursprünglichen modulierten Datensignals ν dar.

In F i g. 4 ist der Verlauf der Bitfehlerquote q des rechteckförmigen Datensignals eines Übertragungssystems dargestellt, welches aus einer Deltamodulationsstrecke in Verbindung mit Modems aufgebaut ist Diese Bitfehlerquote q ist abhängig vom Pegel des am Eingang des Deltamodulationssenders eingespeisten modulierten Datensignals ν angegeben. Ein zusätzlich eingespeistes definiertes Rauschsignal wird in der Weise eingestellt, daß die Pegeldifferenz zwischen beiden Signalen unabhängig vom Pegel des Datensignals ν ist Die verwendeten Modems entsprechenden den CCITT-Empfehlungen V 26 bzw. V 26 bis für eine Übertragungsgeschwindigkeit von 2400 bit/s. Die Kurve 1 zeigt den typischen Verlauf bei Verwendung eines bekannten sprachadaptiven Deltamodulationssystems. Die Kurve 2 zeigt den Verlauf der Bitfehlerquote q bei Verwendung der Sende- und Empfangsanordnungen nach F i g. 1 und F i g. 3, bei denen die Steuerung der Höhe der Quantisierungsstufe ausschließlich durch die Amplitude der Symbolfolgefrequenz /* in diesem Fall der Dibitfrequenz, erfolgt Man sieht daraus, daß bei Kurve 2 der Talverlauf der Bitfehlerquote q wesentlich breiter

in und der Kurvenverlauf damit wesentlich günstiger ist.

Ein adaptives Deltamodulationsverfahren, welches beispielsweise wie in obengenannter DE-OS 19 11 431 angegeben die besonderen Eigenschaften der Sprache berücksichtigt, wird auch sprachadaptives Deltamodula-

i^r> tionsverfahren genannt Sollen mit einem Deltamodulationssystem, welches nach einem derartigen sprachadaptiven Verfahren arbeitet wahlweise Sprachsignale öder niüdüüciic Daiensigiiaie übertragen werden, so wird in einer Weiterbildung der Erfindung bei Datenübertragung mittels der nunmehr auftretenden Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz f, vom sprachadaptiven Verfahren auf das erfindungsgemäße Verfahren umgeschaltet. In einer anderen Weiterbildung der Erfindung bleibt nach dem Übergang von Sprach- auf

2=i Datenübertragung das sprachadaptive Verfahren eingeschaltet und das erfindungsgemäße Verfahren übt eine zusätzlich« Steuerungsfunktion aus. Für den letzteren Fall ist in Fig.5 eine Schaltungsanordnung für einen Deltamodulationssender angegeben. Bei dieser Anord-

s« nung ist zusätzlich zu der in F i g. 1 bzw. F i g. 2 dargestellten Anordnung zwischen dem Ausgang des Koinzidenz-Gatters G und einem dritten Eingang der Addierstufe Ad ein weiterer Tiefpaß TP 2 eingefügt. Dieser Tiefpaß TP2 ist an der Durchführung des

'5 sprachadaptiven Verfahrens mitbeteiligt. Der mit dem Schmalbandfilter BF versehene Zweig hat bei Sprachübertragung keinen Einfluß, während er bei der Übertragung eines modulierten Datensignals unterstützend auf das sprachadaptive Verfahren einwirkt und

-in damit eine Verkleinerung der Bitfehierquote q bewirkt. Diese unterstützende F.inwirknncr auf Ha« cnrarhnHon*;. ve Verfahren bewirkt, daß der auch Adaptionskennlinie genannte Verlauf von Höhe der Quantisierungsstufe als Funktion vom Pegel des modulierten Datensignals ν im

-5 gesamten Pegelbereich Iinearisiert wird. Diese unterstützende Einwirkung wird im Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 mittels einer einstellbaren Ansprechschwelle des Verstärkers Vr reguliert Durch diese Ansprechschwelle hat der Verstärker Vr eine bestimmte konstante

so Gleichspannungsverstärkung, wenn seine Eingangsspannung größer ist als die Ansprechschwelle und die Verstärkung Null, wenn seine Eingangsspannung kleiner ist als die Ansprechschwelle. Diese Maßnahme geht davon aus, daß durch das sprachadaptive Verfahren bei niedrigen Pegelwerten des Datensignals ν eine gute Annäherung an die geforderte Adaptionskennlinie bewirkt wird, bei höheren Pegelwerten jedoch nicht mehr als notwendige Steuerspannung LA_n für die geforderte Höhe der Quantisierungsstufe geliefert

&o werden kann. Die Ansprechschwelle hat daher die Aufgabe, daß die zusätzliche Steuerungsfunktion durch die Amplitude der Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz /j bei niedrigen Pegelwerten des Datensignals ν unwirksam bleibt und erst bei mittleren und höheren Pegelwerten wirksam wird. Durch die Ansprechschwelle des Verstärkers Vr wird also im gesamten Pegelbereich des Datensignals eine gute Annäherung an die erwünschte lineare Adaptionskennlinie erreicht

Die Verkleinerung der Bitfehlerquote q, die mit der Anordnung nach Fig.5 bei Übertragung eines modulierten Datensignals erreicht wird, ist prinzipiell in F i g. 6 dargestellt. Die Kurve 1 zeigt dabei den Verlauf bei einem ausschließlichen sprachadaptiven Verfahren,

während die Kurve 2 den unterstützenden Einfluß des mit dem erfindungsgemäßen Schmalbandfilter BF versehenen Zweiges zeigt. Man sieht dabei die wesentliche Verbesserung der Bitfehlerquote q bei höheren Pegelwerten des Datensignals v.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Übertragung von modulierten Datensignalen mittels adaptiver Deltamodulation, wobei die unterschiedlichen Werte des Datensignals die Symbole für die zu übertragene Information bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Quantisierungsstufen abhängig von der Amplitude der Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (f_s) des Datensignals gesteuert wird. t ο

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei wahlweiser Übertragung von Sprachsignalen oder modulierten Datensignalen die Höhe der Quantisierungsstufen während der Übertragung der Datensignale ausschließlich abhängig von der Amplitude der Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (f_s) gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dsS bei wahlweiser Übertragung von Sprachsignaien oder modulierten Datensignalen die Höhe der Quantisierungsstufen während der Übertragung der Datensignale nach einem auf die Sprachsignale angepaßten Verfahren gesteuert wird und die Amplitude der Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (Tj) eine zusätzliche Steuerungsfunktion auf die Höhe der Quanitisiemngsstufen ausübt

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom Auftreten der Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (f₅) das auf Sprachsignale oder das auf modulierte Datensignale angepaßte Verfahren des Deltamodulationssystems eingeschaltet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Steuerung der Höhe der Quantisierungsstufen durch die Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (f_s) erst bei mittleren und großen Amplitudenwerter, dieser Spektrallinie erfolgt

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 —5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (Q aus dem deltamodulicrten Ausgangssignal ^c/,) gewonnen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das deltamodulierte Ausgangssignal in ein Schieberegister geschoben und der Inhalt des ^v' Schieberegisters durch ein Koinzidenz-Gatter (G) ausgewertet wird und daß die am Ausgang des Koinzidenz-Gatters (G) auftretende Spektrallinie der Symbolfolgefrequenz (f_s) mit einem Schmalbandfilter (BF) ausgesiebt, in einer nachfolgenden ^w Gleichrichterstufe (Cr) gleichgerichtet und geglättet und diese geglättete Spannung in einem Verstärker (Vr) verstärkt wird, wobei die Ausgangsspannung des Verstärkers (Vr) zur Steuerung der Höhe der Quantisierungsstufen dient. ¹^

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (Vr) eine einstellbare Ansprechschwelle aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die 3 dB-Bandbreile des ^Ml Schmalbandfilters (BF)30 Hz... 80 Hz beträgt.