DE958934C - Nachrichtenuebertragungssystem mit in der Amplitude abgestuften Impulsen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 28. FEBRUAR 1957

S 29782 VIII a j 2i a*-

ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung bezieht sich auf ein Nachrichtenübertragungssystem, bei dem die zu übertragenden Nachrichten durch Folgen von Impulsen mit verschiedenen Amplitudenwerten dargestellt werden.

In der Telegraphentechnik ist es bekannt, für die Übertragung der Nachrichten binäre Impuls- ■ kombinationen zu verwenden, d. h. Kombinationen von Impulsen, die je einen von zwei verschiedenen Strom- bzw. Spannungswerten annehmen können. Diese beiden. Strom- bzw. Spamnungswerte werden beim sogenannten Einfachstromsystem durch zwei verschiedene Amplitudenwerte dargestellt, z. B. die Amplitude Null (kein Strom) in dem einen und eine bestimmte konstante Signalstromamplitude in dem anderen Fall. Hierbei werden diese Impulse in Form sogenannter Schritte lückenlos aneinandergereiht, d. h. der jeweils nächste ■ Impuls beginnt dort, wo der vorangehende aufhört. Um bei der Übertragung solcher Impulsfolgen; die vorhandenen Übertragungswege optimal auszunutzen, wird die Frequenzbandbreite jedes einzelnen Kanals möglichst beschränkt. Es ist in der Praxis üblich, bei einer Schrittfolge von 50 Schritten in der Sekunde, d. h. einer Telegraphiergeschwindigkeit von 50 Baud, die Bandbreite des einzelnen Kanals gleich 80 Hz zu wählen. Dann lassen sich bei der Auswertung der empfangenen Impulse die Amplitudenwerte noch einwandfrei unterscheiden, obwohl die Ein- und Ausschwingvorgänge der für die Bandbegrenzung

erforderlichen Filter die ursprüngliche Amplitudenkurve stark verzerren und hierdurch die Amplitudenwerte in den Abtastzeitpunkten erheblich fälschen.
Es ist bekannt, daß bei diesem Übertragungsverfahren die theoretische Übertragungskapazität des Übertragungsweges noch keineswegs voll ausgenutzt wird. Man hat daher versucht, durch Vergrößerung der Amplitudenstufenzahl den Nachrichtenfluß zu erhöhen. Ein Vorschlag geht dahin, auf einem Einzelkanal der vorerwähnten Bemessung zwei oder mehr miteinander synchronisierte, verschiedenen Nachrichten zugeordnete Stromschrittfolgen mit im Verhältnis ganzzahliger Potenzen der Zahl 2 abgestuften Amplituden einander zu überlagern. Dieses Verfahren stellt erhöhte Anforderungen an die Synchronisierung der Schrittfolgen und an ihre exakte amplitudengetreue Abtastung im Empfänger, da die bereits erläuterten, durch die schmalen Filter bedingten Ein- und Ausschwingvorgänge der einzelnen Impulse die Amplitudenwerte der jeweiligen Nachbarimpulse stark fälschen.

Ein grundsätzlich anderer Weg zur Übertragung von Nachrichten durch Impulsfolgen ist durch die sogenannte Pulsmodulationstechnik gegeben. Die theoretische Grundlage hierfür liefern unter anderem die Arbeiten von Oliver, Pierce und Shannon. In diesen Arbeiten ist nachgewiesen, daß sich die Übertragungskapazität eines gegebenen Nachrichtenweges für eine . bestimmte Bandbreite voll ausnutzen läßt, wenn extrem kurze Impulse verwendet werden, die einen zeitlichen Abstand gleich dem halben Kehrwert der Bandbreite voneinander haben und deren Amplitude jeweils durch die Nachricht bestimmt wird. Die Berechnungen zeigen, daß bei dieser Wahl des Impulsabstandes die durch die Ein- und Ausschwingvorgänge jedes einzelnen Impulses hervorgerufenen Störamplituden immer gerade im Abstand des halben Kehrwertes der Bandbreite und ganzen Vielfachen dieses Abstandes 'durch Null gehen, so daß sie theoretisch die ■ Amplitudenwerte von in diesen Zeitpunkten vorhandenen Impulsen nicht fälschen.

Bei den praktischen Anwendungen dieser theoretischen Grundlagen der Impulstechnik hat man demzufolge bisher stets danach getrachtet, den Impulsen eine möglichst schmale, dem Idealfall nahekommende Form zu geben und so von vornherein die durch die Ein- und Ausschwingvorgänge der Übertragungsmittel bedingten gegenseitigen Störungen der übertragenen Impulse bei ihrer empfangsseitigen Abtastung möglichst vollständig zu unterdrücken.

Der Erfindung liegt die neue Erkenntnis zugrunde, daß es im Hinblick auf die sonstigen Störverhältnisse des Übertragungskanals und im Interesse einer erhöhten Übertragungssicherheit richtiger ist, bei der Bemessung der Impulsbreite abweichend von der bisherigen Tendenz gerade den entgegengesetzten Weg zu verfolgen und die Impulsbreite im Verhältnis zum Impulsabstand soweit zu vergrößern, wie es unter Wahrung des durch den gegenseitigen Impulsabstand bedingten Vorteils geringer Amplitudenfälschung der Nachbarimpulse unter Berücksichtigung der Störbedingungen im Übertragungskanal möglich ist. Die bisher angestrebte starke Verschmälerung der Impulse bedeutet nämlich insofern einen erhebliehen Nachteil, als bei einer durch die Spannungsfestigkeit der Materialien oder durch sonstige Rücksichten gegebenen oberen Grenze für die maximale Impulsamplitude der Energiegehalt des einzelnen Impulses proportional der Impulsbreite abnimmt und somit bei sehr schmalen Impulsen außerordentlich klein ist. Da andererseits auf der Empfangsseite die Kurvenform der Empfangsspannung für jeden Impuls infolge der vorherrschenden Wirkung der Ein- und Ausschwingvorgänge der vom Impuls durchlaufenen Übertragungsmittel wesentlich durch die ausgenutzte Bandbreite bestimmt ist und die für die Auswertung maßgebende maximale Empfangsamplitude jedes Impulses etwa proportional mit der Breite des gesendeten Impulses abnimmt, ergeben sehr schmale Impulse nur eine entsprechend niedrige Empfangsamplitude und setzen so auch die Sicherheit der Auswertung im Empfänger herab.

Gemäß der Erfindung läßt sich nun, ausgehend von der vorerwähnten- Erkenntnis und gestützt auf die überraschenden Ergebnisse der unten erläuterten, durch die bisherigen theoretischen Arbeiten nicht nahegelegten Berechnungen, eine wesentliche Steigerung der Übertragungssicherheit dadurch erreichen, daß bei einem zeitlichen Impulsmittelabstand, der etwa dem halben Kehrwert der Bandbreite oder ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes entspricht, die zeitliche Länge jedes Impulses als ein derartiger Bruchteil des Impulsmittenabstandes gewählt ist, daß die durch Ein- und Ausschwingvorgänge der anderen Nachrichtenimpulse im Kanal bedingten Störspannungen etwa ebenso groß wie die aus dem zu erwartenden Signalstörverhältnis des Kanals sich ergebenden fremden Störspannungen sind.

Diese Bemessungsregel gilt zunächst für die Aussendung von Rechteckimpulsen. Eine weitere Verbesserung der Übertragung kann jedoch noch no dadurch erreicht werden, daß für die Impulsbildung bereits sendeseitig eine von der Rechteckform abweichende Impulsform geringerem Oberwellengehalt angewendet wird.

Wie groß tatsächlich die zeitliche Länge jedes Impulses im Verhältnis zum Impulsmittenabstand bemessen sein muß, ergibt sich im Einzelfalle aus der angegebenen Bemessungsregel gemäß der Erfindung. Berechnungen haben gezeigt, daß sich die Erfindung praktisch gut verwirklichen läßt, iao wenn die zeitliche Länge jedes Impulses in der Größenordnung von einem Fünftel des Impulsmittenabstandes gewählt wird.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. i zeigt zunächst den bekannten Verlauf einer rechteckförmigen Impulsfolge mit zwei Amplitudenwerten· (eine Amplitudenstufe), wie sie bei einem Telegraphiesystem mit Einfachstrombetrieb üblich ist. Auch die stromlosen Pausen zwischen den Stromimpulsen sind dabei als Nachrichtenimpulse zu werten, so daß also äie Impulse der einen Art (Stromimpulse) und die der anderen Art (Keinstromimpulse) lückenlos aneinandergereiht sind. Die Anzahl der Amplitudenwerte S ist in dem Schaubild als Ordinate, die Zeit t als Abszisse eingetragen.

Fig. 2 veranschaulicht demgegenüber eine Folge von ebenfalls rechteckförmigen, lückenlos aneinandergereihten Impulsen in einem mit mehreren Amplitudenstufen arbeitenden System, welches bei gleicher Einzelimpulslänge wie im Falle der Fig. 1 eine größere Nachrichtenmenge je Zeiteinheit übertragen kann. Die Anzahl der Amplitudenwerte, die noch unterscheidbar empfangen werden können, ist jedoch durch die Bandbreite des verwendeten Übertragungskanals bestimmt und hängt davon ab, um' welches Maß die Amplitude, mit der ein einzelner Impuls wiedergegeben wird, durch die Ein- und Ausschwingvorgänge anderer Impulse gefälscht werden kann. Die mit dem betrachteten Impuls zusammenfallenden positiven Anteile der anderen Impulse ergeben den Betrag, um den jener Impuls zu groß wiedergegeben werden kann. Die Summe der negativen Anteile an der betrachteten Stelle ist der Betrag, um den die Impulsamplitude im entgegengesetzten Sinn gefälscht werden kann. Die Summe der absoluten Beträge der positiven und negativen Störamplituden ergibt das Intervall, welches man zur einwandfreien Übertragung einer Amplitudenstufe zur Verfügung haben muß. Teilt man den höchsten übertragenen Amplitudenwert durch das erforderliche Intervall, so erhält man die Anzahl der Amplitudenstufen, die von Null unterscheidbar übertragen werden können.

Die Berechnung zeigt, daß bei einer gegebenen Bandbreite B des verwendeten Übertragungskanals und einer Impulslänge T die mögliche Anzahl der unterscheidbaren Amplitudenwerte durch folgende Formel dargestellt werden kann:

5 =

Sin B T

I Si (2 η + ι) π B T — Si (2 « — ι) π B T

ι.

Die Formel zeigt, daß der Wert S wesentlich von dem Produkt aus Bandbreite B und Impulslänge T abhängig ist. Die Auswertung der Formel in Abhängigkeit von B · T ergibt für den Wert S, d. h. die Anzahl der Amplitudenwerte, den in Fig. 3 dargestellten Verlauf. Es zeigt sich, daß eine Übertragung bei Werten von B · T unterhalb 0,5 überhaupt nicht möglich ist. Bei B-T = 0,5 springt die Kurve auf etwas mehr als drei unterscheidbare Amplitudenwerte und steigt dann mit wachsendem B ■ T wellenförmig an. Bei den exakten Werten B ■ T = 0,5; 1,5; 2,5; 3,5 usw. gibt es noch sehr scharfe Maxima, die aber in der Praxis nur schwer zu verwirklichen sind. Für B · T = 0,5 ist dieses Maximum als singulärer Punkt (S = 4,7) eingetragen. Aus der Kurve in Fig. 3 ist ferner zu ersehen, daß bei einem Amplitudenstufenverfahren mit aneinander anschließenden Impulsen von der in Fig. 2 dargestellten Art eine nennenswerte Amplitudenstufenzahl nur durch Erhöhung des Produktes B · T erreichbar ist, was jedoch bei gegebener Impulslänge eine Vergrößerung der Bandbreite und somit bei einem gegebenen Übertragungsweg eine Verminderung der Gesamtanzahl der Kanäle bedeutet.

Fig. 4 zeigt demgegenüber die Grundform einer Impulsfolge mit zeitlichen Abständen zwischen den Einzelimpulsen und verschiedenen Amplitudenstufen. Die für die Darstellung der einzelnen Impulse zur Anwendung kommenden Amplituden-

werte 5 sind auch in Fig. 4 wieder als Ordinate aufgetragen. Die Abszissenachse entspricht der Zeit t. Die Impulsbreite, d.h. die zeitliche Länge des Einzelimpulses, sei mit T₁, der Impulsmittenabstand, d. h. also der Kehrwert der Impulsfolgefrequenz, mit T_a bezeichnet.

Die Rechnungen von Oliver, Pierce und Shannon zeigen, daß bei extrem kurzen Impulsen, also extrem kleinen Werten von T₁ gegenüber T_a, die Ein- und Ausschwingvorgänge die Eigenschaften haben, in. zeitlichen Abständen gleich dem halben Kehrwert der Bandbreite und Vielfachen davon den Amplitudenwert Null zu durchlaufen. Die Amplituden anderer Impulse, die in bestimmten Abständen übertragen werden, werden infolgedessen in der Impulsmitte nicht gefälscht. Als Folgerung ergibt sich also, daß man T₀ zweckmäßig gleich V2 B wählt.

Es soll nun untersucht werden, wie weit man von dieser theoretischen Vorschrift einer möglichst kurzien Impulslänge gegenüber dem Impulsmittenabstand abweichen darf, ohne den dadurch offensichtlich erzielbareni Vorteil ganz aufzugeben.·.

Für den erwähnten Fall, daß der Impulsmittenabstand T_a gleich dem halben Kehrwert der Bandbreite B ist,, führt die Rechnung bei Zugrundelegung rechteckiger Impulse zu der nachstehenden Formel für die Anzahl der noch unterscheidbaren Amplitudenwerte:

S,=

Si π Β

Si π B (2 η T_a + T_{)—SinB {2ηΤ_α —

1.

(2)

Es wäre nun aber falsch, die Amplitudenstufenanzahl allein zu beurteilen. Es wurde deshalb auch schon im ersten Beispiel kurz gestreift, daß mit wachsender Anzahl der Amplitudenwerte bei gleichzeitiger Verbreiterung der Kanäle der gesamte Nachrichtenfluß nicht größer zu werden braucht. Für die Güte eines Übertragungsweges ist nicht die Anzahl der möglichen Amplitudenwerte selbst maßgebend, sondern die Nachrichtenrmenge, die sich mit dem angewendeten Verfahren übertragen läßt. Man erhält diese dadurch, daß man zunächst den Logarithmus zur Basis 2 der Anzahl der unterscheidbaren Amplitudenwerte bildet. Dies ergibt die Nachrichtenmenge, die ein Impuls übertragen kann. Multipliziert man den so erhaltenem Wert mit der Anzahl· der Impulse je Sekunde und teilt dieses Produkt durch die Bandbreite, so ergibt sich die sekundliche Nachrichtenmenge, die je Hz Bandbreite übertragen wird. Sie ao wird bei Impulssystemen in bits/sec · Hz angegeben, wobei ein bit (binary digit) ein Nachrichtenelement bedeutet. In. bits/sec kanni man also die sekundlich übertragene Nachrichtenmenge R (Anzahl der Nachrichtenelemente) messen. Bei der Beurteilung eines Übertragungssystems muß dieser Wert aber noch auf die Bandbreite B in Hz bezogen werden, woraus sich dann der Wert der relativen Nachrichtenmenge R/B in bits/sec · Hz ergibt.

Berechnet man unter Heranziehung der oben angeführten Formel den Wert der übertragbaren Nachrichtenmenge für den. in Fig. 2 und 3 dargestellten F-Jl der lückenlosen Aneinanderreihung von Amplitudenstufenimpulsen, so zeigt sich, daß die Nachrichtenmengfc hierbei für keinen Wert von B · T größer als 3,5 bits/sec · Hz werden kann. Dagegen zeigt die gleiche Berechnung für den in Fig. 4 dargestellten Fall der Übertragung von Impulsen mit zeitlichen Lücken, daß die übertragbare Nachrichtenimenge mit kleiner werdender Impulsbreite Ti ständig zunimmt. Die rechnerische Ableitung mit Hilfe der oben angeführten Formel führt zu einer Abhängigkeit der pro Hz Bandbreite übertragbaren Nachrichtenmenge RjB (in bits/ sec · Hz) von dem Verhältnis der Impulsbreite T₁ zum Impulsmittenabstand T_a, wie sie durch die Kurve in Fig. 5 dargestellt ist. Die Kurve zeigt, daß, wie bereits gesagt, die übertragbare Nachrichtenmenge mit kleiner werdendem Impulsbreiteverhältnis anwächst.

Nun kann aber die Impulsbreite nicht beliebig verschmälert werden, da bei gegebener Maximalamplitude der Energiegehalt jedes Impulses, also die Signalleistung, mit kleiner werdender Impulsbreite immer mehr abnimmt und schließlich eine durch die Störspannungen gegebene Grenze erreicht. Nach der von Shannon abgeleiteten Formel ist die Kapazität eines Übertragungsweges, d. h. die maximal übertragbare Nachrichtenmenge für den Fall, daß die Begrenzung nicht durch das< Übertragungsverfahren (hier z. B. Anwendung von Rechteckimpulsen^ mit oder ohne Lücken), sondern nur durch die Bandbreite und das Verhältnis von I Signal- zu Störleistung auf dem Übertragungsweg gegeben ist: .

C = 2 B · ²log

+ N N

(3)

Aus dieser Formel geht hervor, wie die Nachrichtenkapazität C von der Bandbreite des Übertragungsweges B und dem Verhältnis der maximalen Signalleistung L zur Störleistung N abhängt. Legt man einen üblichen Wert der Störleistung von 10— ⁱ der maximalen Nutzleistung zu gründe, so ergibt sich für die Kapazität des Übertragungsweges pro Hz Bandbreite ein Wert von etwa 13 bits/sec· Hz.

Aus Fig. S kann man erkennen, · daß dem genannten Wert für die relative Nachrichtenmenge R/B =13 bits/sec · Hz ein Impulsbreiteverhältnis von 0,2 entspricht. Eine Verkürzung der zeitlichen Impulslänge T₁ unter etwa ein Fünftel des Impulsmittenabstarides T_a bringt also praktisch unter Berücksichtigung der S tor spannungen auf dem Übertragungsweg keine Vorteile mehr, da dann die Anzahl der unterscheidbaren Amplitudenwerte bereits durch die Störamplitude des Übertragungskanals und nicht durch die Ein- und Ausschwing- vorgänge der Impulse in den für einen· Kanal gegebener Bandbreite benötigten Filtern begrenzt wird. Eine Bemessung der Impulsbreite T,- in der Größenordnung von einem Fünftel des Impulsmittenabstandes T_a stellt also für ein Impulsübertragungssystem der angegebenen Art unter Berücksichtigung der in der Praxis vorauszusetzenden Verhältnisse ein Optimum für die Ausnutzung des Übertragungsweges dar. Diese Bemessungsregel ist besonders für Telegraphiesysteme, sinngemäß aber auch für beliebige andere Impulsübertragungssysteme mit Vorteil anwendbar.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Nachrichtenübertragungssystem, bei dem die Nachrichten durch Folgen von annähernd rechteckförmigein! Impulsen' mit verschiedeinen Amplitudenwarten dargestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zeitlichen Impulismiittenabs'tand, der etwa dem haliben Kehrwert derBandbreite oder ganzzabligen Vielfachen dieses Wertes entspricht, die zeitliche Länge jedes Impulses als ein derartiger Bruchteil des Impulsmittenabstandes gewählt ist, daß die durch Ein- und Aus'schwingvorgänge der anderen Nachrichtenimpulse im Kanal bedingten S tor spannungen etwa ebenso groß wie die aus dem zu erwartenden Signalstörverhältnis des Kanals sich ergebenden fremden S tor spannungen sind.
2. 2. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß für die iss Impulsbildung bereits sendeseitig eine von

   4er Rechteckform abweichende Impulsform mit geringerem Oberwellengehalt angewendet wird.
3. 3. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Länge jedes Impulses angenähert gleich einem Fünftel des Impulsmittenabstandes gewählt ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 860640; Proc. I. R. E., Nov. 1948, S. 1324 bis 1331.

   Hierzu I Blatt Zeichnungen

   ©6» 617/186 8.56 (609 809 2.57)