DE2809418C2 - Verfahren zur Demodulation eines phasensprungfreien, mehrfach frequenzmodulierten (FSK-) Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Demodulation eines phasensprungfreien, insbesondere binär frequenzmodulierten (FSK-)Signals.

Durch die DE-OS 22 27 171 ist ein Verfahren zum Übertragen einer Folge von Informationsbits bekanntgeworden, bei dem Frequenzumtastung (FSK) verwendet wird. Hierbei werden den beiden Pegeln eines binären, synchron mit der Taktfrequenz /Tverlaufenden Datensignals jeweils eine Frequenz zugeordnet, die durch Vervielfachung der Taktfrequenz /T gewonnen wird. Auf die Länge eines Bits kommt damit mindestens eine ganze Schwingung der niedersten Übertragungsfrequenz.

Durch die DE-OS 25 03 468 ist eine Datenübertragungseinrichtung bekanntgeworden, bei der zur Übertragung binär codierter Informationen die Kennung des binär codierten Wertes mittels einer Halbwelle einer Frequenz und dem Abstand bezüglich der Halbwelle einer anderen Frequenz zweier Frequenzen erfolgt und bei der die Bits jeweils in die Halbperioden zwischen den Nulldurchgängen gelegt werden. Zur Demodulation dieses synchronen Übertragungssystems wird die Zeitdauer zwischen den Nulldurchgängen gemessen und mit einer Bezugsgröße verglichen.

Bei der Erfindung ist von der Aufgabe ausgegangen worden, ein Verfahren zur Demodulation eines asynchronen, insbesondere binär frequenzmodulierten (FSK-)Signals mit einer möglichst hohen Datenübertragungsrate, die beispielsweise be'.ragsgleich der maximalen FSK-Frequenz ist. anzugeben, wobei der Verzerrungsgrad sehr klein gehalten werden kann. A.ußerdem sollte das Verfahren sehr aufwandsarm sein.

Die Lösung erfolgt mit den in den Ansprüchen 1 und 8 gekennzeichneten Merkmalen.

Durch die Erfindung ergeben sich die Vorteile einer hohen Datenübertragungsraste, die betragsmäßig der oberen FSK-Sendefrequenz entspricht. Durch eine feine Quantisierung, d.h. durch eine hohe Meßtaktfrequenz, kann ein Verzerrungsgrad erreicht werden, der

ίο praktisch nur von der Phasenverzerrung der Leitung abhängt.

Anhand der Figuren wird die Erfindung nunmehr beschrieben, zunächst sei jedoch etwas allgemeines zum Verfahren gesagt.

Es handelt sich um ein Verfahren zur Demodulation eines phasensprungfreien, asynchronen, insbesondere binär frequenzmodulierten (FSK-)Signals (frequency shift keying), bei dem die Datenübertragungsrate beliebige Werte bis zum Betrag der oberen FSK-Frequenz enthalten kann. Um Amplitudenstörungen weitgehend auszuschalten, wird das (FSK-)Signal im allgemeinen begrenzt, so daß man näherungsweise ein rechteckförmiges Signal erhält, bei dem es nicht mehr möglich ist, zwischen zwei Nulldurchgängen einen Umschaltzeitpunkt des Modulationssignals mt Hilfe von Schaltmitteln direkt zu erkennen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren laß' sich der Umschaltzeitpunkt feststellen und damit das ursprüngliche Modulationssignal rekonstruieren.

Die zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen eines binären FSK-Signals auftretenden 21eitdifferenzen Ti werden mit Hilfe eines Meßtaktes in m Zeitabschnitte der Dauer Tn unterteilt. Die minimal auftretende Zeitdifferenz entspricht der Zeit η ■ Tn, die maximale Zeitdifferenz a ■ π ■ Tn, wobei a der Quotient von oberer zu unterer FSK-Frequenz ist und τη/die Werte η S mis a ■ η annehmen kann. Zerlegt man die Zeitspanne Ti in oi Zeitabschnitte der Dauer Tn und in ui Zeitabschnitte der Dauer a · Tn, so daß die Summe von oi und ui konstant gleich η ist, so ergibt sich der Umschaltzeitpunkt nach oi ■ Tn bzw. ui ■ a ■ Tn, wenn die vorhergegangene FSK-Schwingungsfrequenz die obere bzw. die untere war. Die Größen oi und ui lassen sich nach den folgenden Formeln errechnen:

£17

α ■ η - mi

und ui =

Die Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Demodulation binärer FSK-Signale mit aS2 und beispielsweise n= 15. Die Schaltung besteht im wesentlichen aus einer Steuerung St, zwei Zählern Zl, Z2, vier Zwischenspeichern ßl, /3 2, Ö3, BA, einem Rechenwerk RWund einem Multiplexer M. Durch die Steuerung St werden die logischen und zeitlichen Steuerungsabläufe sichergestellt. Durch die Eingänge 1 bzw. 2 gelangen Nadelimpulse, die den Nulldurchgängen des FSK-Signals entsprechen, bzw. eine Grundtaktfrequenz fQ, von der sich sämtliche benötigten Steuerfrequenzen ableiten lassen, in die Steuerung St. Über den Ausgang 3 wird ein erster Zähler Z1 mit der Frequenz l/77i versorgt. Mit dem aus den FSK-Nadelimpulsen gewonnenen Signal, das am Ausgang 4 der Säuerung Si ansteht, wird der augenblickliche

b5 Stand 777/ des Zählers Z 1 in den ersten Zwischenspeicher B 1 geladen und nach einer Verzögerungszeit, die klein gegenüber Tn ist und durch das Zeitglied ZG hervorgerufen vi'ird. wird der Zähler Zl über seinen Ein-

gang R zurückgesetzt. Die im ersten Zwischenspeicher B 1 gespeicherte Meßzahl mi sowie die Größen a und η werden in das Rechenwerk /Zugegeben, das die Größen o/bzw. u/nach oben angegebener Rechen Vorschrift errechnet und dieselben bis zur nächsten FSK-FIanke an seinen beiden Ausgängen dem Multiplexer M zur Verfügung stellt. Durch die Steuerung St wird nun dafür gesorgt, daß unter Berücksichtigung der Vorgeschichte über den Multiplexer M die Zahlen ui bzw. oi sofort nach ihrer Neubildung nacheinander in der richtigen Reihenfolge zusammen mit einem Kennbit K in den zweiten Zwischenspeicher B 2 eingelesen werden. Beim Einlesen in diesen zweiten Zwischenspeicher B 2 wird dessen vorheriger Inhalt nach einem dritten Zwischenspeicher B 3 geschoben. Ein zweiter Zähler Z 2, der rückwärts zählt, wird dann mit dem Inhalt des dritten Zwischenspeichers B 3 gesetzt, wenn der Zählerstand Null erreicht ist. Gleichzeitig wird auch das Kennbit KB 3 am Ausgang des dritten Zwischenspeichers B 3 in einen vierten Zwischenspeicher BA geladen, dessen Ausgangssignal das Datensignal D ist. Der Zähltakt für den zweiten Zähler hat die Frequenz 1/7/7 für den ersten Signalpegel Po und l/a · Tn für den zweiten Signalpegel Pu.

Bei einer Anwendung des beschriebenen Verfahrens zur Demodulation binärer FSK-Signale für beliebige Werte von a ist prinzipiell die Schaltungsanordnung nach F i g. 1 verwendbar. Je nach gewähltem Wert von a ist jedoch die folgende Anzahl von Zwischenspeichern Bn 2, B 3,..., Βμ zwischen Multiplexer M und zweitem Zänler Z 2 erforderlich:μ—\ = Entierfunktion von a, beispielsweise ist für a = 2,2 mit μ = 4 ein vierter Zwischenspeicher B 4 erforderlich.

Die Fig.2 bis 13 zeigen den zeitlichen Verlauf von einigen Signalen, die an der Blockschaltungsanordnung nach F i g. 1 auftreten, wobei jedoch der Wert für π zu 4 gewählt worden ist In F i g. 2 ist das binäre Datensignal vor der Übertragung dargestellt Das zugehörige übertragene FSK-Signal, zu Quasirechteckimpulsen begrenzt, ist der Fig.3 zu entnehmen. Nach Flankendiskriminierung des FSK-Signals und anschließender Gleichrichtung erhält man die Nadelimpulse nach Fig.4. In Fig. 5 ist ein Meßtakt der Frequenz I/T/7 dargestellt Die F i g. 6 zeigt die Zählung durch den ersten Zähler Z1 und die Meßwerte mi für die einzelnen Zeitspannen Ti. In F i g. 7 ist die Abspeicherung der Meßwerte mi im ersten Zwischenspeicher B 1 dargestellt Der F i g. 8 sind die errechneten Werte ui bzw. oi zu entnehmen. Der zeitliche Verlauf des Inhalts des zweiten Zwischenspeichers B 2 ist der F i g. 9 für ui bzw. oi und der F i g. 10 für das Kennbit KB 2 zu entnehmen. Der zeitliche Verlauf des dritten Zwischenspeicherinhalts 53 bzw. des Kennbits KB3 ist in Fig. 11 bzw. F i g. 12 aufgezeichnet Das Zeitdiagramm für den rückwärts zählenden zweiten Zähler Z2 ist in Fig. 13 gezeichnet Fig. 14 schließlich zeigt das rekonstruierte Datensignal D, das gegenüber dem empfangenen FSK-Signal nach F i g. 3 um etwas mehr als die Halbperiodendauer der unteren FSK-Frequenz (a ■ π ■ Tn) verzögert ist Die Überschreitung dieses verfahrensspezifisch kürzesten erreichbaren Verzögerungswertes ist deshalb erforderlich, um die Funktionssicherheit in der Zusammenarbeit der mittleren Zwischenspeicher B 2, B 3 mit dem zweiten Zähler Z 2 zu gewährleisten.

Abschließend seien noch einige Besonderheiten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung genannt Die Zusammenarbeit zwischen zweitem Zähler Z 2 und den mittleren Zwischenspeichern 52, S3 ist dann unterbrochen, wenn letztere neu beschrieben werden. Erreicht der Stand des zweiten Zählers Z2 Null, so wird der Inhalt des vorangehenden Zwischenspeichers S3, sofern er verschieden von Null ist, geladen. Ist letzterer gleich Null, so wird der Inhalt des zweiten Zwischenspeichers S2 in den dritten Zwischenspeicher S3 geschoben. Nach jeder Ladung des zweiten Zählers Z2 wird der dritte Zwischenspeicher S3 gelöscht. Ist sowohl der Inhalt des zweiten und des dritten Zwischenspeichers 52, S3 gleich Null, so liegt eine Störung vor, beispielsweise Unterbrechung der Übertragung. Ein solcher anormaler Betriebszustand wird von der Steuerung St erkannt und durch entsprechende Funktionsstillegung der übrigen Anordnung während seiner Dauer berücksichtigt.

Das ausführlich beschriebene Verfahren zur Demodulation binärer FSK-Signale ist in erweiterter Form auch zur Demodulation von mehrfach frequenzmodulierten FSK-Signalen vorteilhaft einsetzbar, vor allem für pseudoternäre, ternäre und quarternäre FSK. Für verzerrungsarme Musik- bzw. Sprachübertragung ist das Verfahren dann gut geeignet, wenn billige Datenbausteine wie Mikroprozessoren usw. eingsetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (18)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Demodulation eines phasensprungfreien, mehrfach frequenzmodulierten (FSK-) Signals, wobei jeweils zur Erkennung der einzelnen Schwingungsfrequenzen die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen, in der maximal ein Frequenzwechsel stattfindet, gemessen und der erkannten Schwingungsfrequenz der dem Modulationswert entsprechende Signalpcgel wieder zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der oberen ersten Schwingungsfrequenz eines binär frequenzmodulierten Signals, die eine Periodendauer von 2n · Tn aufweist, ein erster Signalpegel (Po) und der unteren zweiten Schwingungsfrequenz, die eine Periodendauer von 2n ■ a ■ Tn aufweist, ein zweiter Signalpegel (Pu) zugewiesen wird und daß die Messung der Zeitspanne Ti jeweils durch Abzählung mit Zeitabschnitten der Dauer Tn erfolgt wobei das Ergebnis midie Werte η< mi< a ■ η annehmen kann, und daß die Zeitspanne Ti= mi ■ 777 jeweils in oi Zeitabschnitte der Dauer Tn und ui Zeitabschnitte der Dauer a · 77? zerlegt wird, wobei ui+ oi= η ist, und daß bei ui= η (oi= o) der zweite Signalpegel (Pu) für die Zeitdauer a ■ η ■ Tn und bei oi= η (ui= o) der erste Signalpegel (Po) für die Zeitdauer a · Tn erzeugt werden und daß der jeweils der Zeitspanne 77 vorhergehende erste oder zweite Signalpegel (Pooder Pu^weiterhin für die Zeitdauer oi ■ Tn bzw. ui ■ a ■ Tn und daran anschließend der zweite oder erste Signalpegel (Pu oder Po) für die Zeitdauer ui ■ a ■ Tn bzw. oi ■ Tn erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Signalpegel (Po, Pu) nach einer Verzögerungszeit von a · η · Tn nach dem ersten Nulldurchgang (ti) der Zeitspanne Ti beginnt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerlegung der Zeitspanne 77in o/bzw. u/Zeitabschnitte Tn bzw. a · Tn durch Errechnung nach den Formeln

mi - η , . α ■ η - mi ui = r— bzw. 01 = _:

α-\

a-I

erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Rechenschaltung (R W) verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß daß die maximale Datenübertragungsrate in bit/s und die obere Schwingungsfrequenz in Hz betragsgleich sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden An-Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größen η und η ■ a ganze Zahlen sind, wobei vorteilhafterweise a = 2 und /7 = 15 gewählt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6 mit Zähler, Rechenschaltung, Zwischenspeicher und Steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils durch einen Nadelimpuls, der einem Nulldurchgang des FSK-Signals entspricht, der Inhalt mi eines ersten Zählers (Zt), der mit der Frequenz 1/77) zählt, in einen ersten Zwischenspeicher (B 1) geladen und dieser Zähler (Z 1) auf Null zurückgesetzt wird und daß durch die Rechenschaltung (RW), an deren Eingängen der Inhalt mi des ersten Zwischenspeichers (B 1) und die Größen a und η anstehen, jeweils bis zum nächsten Nadelimpuls die beiden Ausgangsgrößen ui und oi bereitgestellt werden und daß dieselben, wenn sie ungleich Null sind, über einen Multiplexer (M) zusammen mit einem Kennbit (K) hintereinander in der Reihenfolge, die aufgrund des vorhergehenden Signalpegels durch die Steuerung (St) festgelegt wird, in einen zweiten Zwischenspeicher (B 2) eingelesen werden, wobei dessen vorheriger Inhalt in einen dritten Zwischenspeicher (B3) geschoben wird, und daß ein zweiter rückwärts zählender Zähler (Z2) mit dem Inhalt des dritten Zwischenspeichers (B 3) und ein vierter Zwischenspeicher (BA), der an seinem Ausgang das demodulierte Signal (D) liefert, mit dem durchgereichten Kennbit (KB 3) gesetzt wird, wenn sein Zählerstand Null erreicht ist, und daß der zweite Zähler (Z2) beim ersten bzw. zweiten Signalpegel (Po bzw. Pu) mit der Frequenz \/Tn bzw. l/aTn zählt

8. Verfahren zur Demodulation eines phasensprungfreien, mindestens ternär frequenzmodulierten (FSK-)Signals, wobei jeweils zur Erkennung der einzelnen. Schwingungsfrequenzen die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen, in der maximal ein Frequenzwechsel stattfindet, gemessen und der erkannten Schwingungsfrequenz der dem Modulationswert entsprechende Signalpegel wieder zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einer Schwingungsfrequenz Fj (j= I ... k), die eine Periodendauer von 2 · nj ■ Tnj aufweist, einer Anzahl von k Schwingungsfrequenzen, deren Werteverhältns jeweils aj= fj/fj— 1 > 1 ist, ein Signalpegel Pj derart zugewiesen wird, daß Pj>Pj—\ ist, und die Messung der Zeitspanne Ti jeweils durch Abzählen mit Zeitabschnitten der Dauer Tnj für j=\ ... k erfolgt, wobei von den k Ergebnissen ein Ergebnis mijausgewählt wird, das in dem Wertebereich nj=mijSaj ■ /1/liegt, für7= 1 ... k, und daß jeweils die Zeitspanne Ti= mij ■ Tnj in oij Zeitabschnitte der Dauer Tnj und in uij Zeitabschnitte der Dauer aj ■ Tnj zerlegt wird, wobei uij+ oij= nj ist und daß für oij= nj (uij= o) der entsprechende Signalpegel Pj für die Dauer nj ■ Tnj erzeugt wird und daß der der Zeitspanne 77 vorhergehende Signalpegel Pj, i— 1 für die Dauer oi ■ Tnj oder uij ■ aj ■ Tnj verlängert wird, wenn die neu erkannte Schwingungsfrequenz einen um den Faktor aj niedrigeren bzw. um den Faktor aj höheren Wert aufweist, und daß anschließend für die Dauer uij ■ aj ■ Tnj oder oij ■ Tnj der neu erkannten Schwingungsfrequenz entsprechende Signalpegel erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Signalpegels nach einer Verzögerungszeit von a 1 · η 1 · Tn 1 nach dem ersten Nulldurchgang (ti) der Zeitspanne Ti beginnt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerlegung der Zeitspanne Ti in uij bzw. oij Zeitabschnitte Tnj bzw. aj · Tnj durch Erzeugung nach den Gleichungen

aj - 1

_bzw.

aj -I

erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Rechenschaltung verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11. dadurch gekennzeichnet, daß die Werteverhältnisse der Frequenzen aj=fj/fj—\ =a konstant sind für alle/

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Zeitabschnitte Tnj konstant gleich Tn oder die Anzahl nj der zerlegten Zeitabschnitte konstant =n für alle/ ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1 j, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Signalpegel Pj- Pj-1 konstant ist

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet durch die Anwendung bei Datenübertragung.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet durch die Anwendung bei Sprachb.'.w. Musikübertragung.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß nach Empfang mindestens einer Halbwelle einer oder mehrerer hohen Übertragungsfrequenzen in einem Feld von tiefen Nachbarfrequenzen die Signalpegel invertiert zugeordnet werden, derart, daß der Übertragungsfrequenz fjder Signalpegel Pk-j+1 für/= 1 ... k zugewiesen wird und daß danach nach Empfang mindestens einer Halbwelle einer oder mehrerer hohen Übertragungsfrequenzen in einem Feld von tiefen Nachbarfrequenzen die inverse Signalpegelzuordnung wieder aufgehoben wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1?, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei aufeinanderfolgende Schwingungsfrequenzen wertemäßig benachbarte Frequenzen fj, fj± 1 sind.