DE2052845A1 - Datenubertragungsverfahren mit sich teilweise überlappenden Signalen - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 1. Oktober 1970 ker-rz

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FR 969 026

Datenübertragungsverfahren mit sich teilweise überlappenden

Signalen %

Die Erfindung betrifft ein Datenübertragungsverfahren unter Verwendung einer Codierung mit sich zeitlich teilweise überlappenden Signalen und eines Frequenzbandes der Γ.reite 0 bis l/T, wobei unter Vorkehrung von AbtastZeitpunkten mit einem zeitlichen Abstand T für die zu übertragenden Daten zwei Hauptkanäle gebildet werden, auf denen Doppelimpulse zu je zwei Impulsen übertragen werden, die zueinander invers sind, und solche Doppelimpulse den einzelnen zu übertragenden Datenelementen oder Kombinationen solcher Datenelemente zugeordnet werden.

Der Zweck der Anwendung solcher Codes ist, besonders leistungsfähige Datenübertragungen zu ermöglichen. Nach dem Stande der Technik sind entsprechende Verfahren bereits unter der Bezeichnung "Codes mit teilweiser Überlappung" bekannt geworden. Mehrere Verfasser haben solche Codes zur Einengung des Frequenzspektrums bei der digitalen Übertragung vorgeschlagen. Es ist zu erwähnen, daß bei solchen Codes Frequenzspektren erreicht werden, deren Einhüllende ihre ersten beiden 0-Steilen bei den Frequenzen 0 und l/T aufweisen, wobei Doppelimpulse verwendet werden, deren Einzelimpulse zueinander invers sind und eine zeitliche Folgerate l/T aufweisen· Bei herkömmlichen Verfahren solcher Art werden die Datenelemente mit einer Folgegeschwindig-

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— ο «.

keit 2/T, aber mit Überlappungen zwischen den einzelnen Doppelimpulsen übertragen, wobei sich bei binären Datenelementen Signale mit drei Pegeln ergeben.

Diese Verfahren lassen sich verbessern und die dabei gegebene Leistung erhöhen, wenn alphabetische Codierverfahren höherer Ordnung zur Anwendung kommen. Solche Verfahren sind jedoch in der Regel sehr aufwendig und bisher kaum benutzt worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Datenübertragungsverfahren mit einer Hochleistungscodierung zu schaffen, die sich leicht mit geringem Aufwand verwirklichen läßt.

Die Lösung dieser Aufgabe für ein eingangs genanntes Datenübertragungsverfahren mit zueinander inversen Doppelimpulsen ist dadurch gekennzeichnet, daß in zusammengehörigen Aufeinanderfolgen von (n+l) Abtastzeitpunkten mit η größer als 1 η erste Impulse von Doppelimpulsen zu η Abtastzeltpunkten jeder Aufeinanderfolge übertragen werden, daß zum verbleibenden (n+1)-ten Abtastzeitpunkt jeder Aufeinanderfolge überlappend die zweiten Impulse der η Doppelimpulse übertragen werden und daß die η Doppelimpulse der beiden Hauptkanäle eine jeweilige Länge nT, (n-l)T, ..., T aufweisen.

Eine verbessernde Ausgestaltung und ein vorteilhafter Sonderfall dieser Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fign. la und Ib die grundsätzliche Anordnung von Doppelimpulsen,

Fig. 2 ein Beispiel zur Erzeugung eines Signals gemäß

Fig. la,

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Fig. 3 die Einhüllenden von Frequenzspektren bei

verschiedenen Codierungsfällen,

Fig. 4 ein herkömmliches Codierverfahren,

Fig. 5 ein Codierverfahren erster Ordnung ohne

störende Überlappungen,

Fig. 6 ein Codierverfahren zweiter Ordnung entsprechend

der vorliegenden Erfindung,

Fig. 7 die Leistungsfähigkeit verschiedener Codes,

Fig. 8 ein Codierverfahren zweiter Ordnung mit

Sekundärkanälen entsprechend der vorliegenden Erfindung,

Fig. 9 eine Empfangsanordnung für ein gemäß der Erfindung codiertes Signal,

Fign. 10a u. b Zeitschaubilder eines Codierverfahrens entsprechend der Erfindung für eine übertragung mit 4800 oder 6400 Baud und λ

Fig. 11 eine Anordnung zur Verbesserung des Signalempfanges beim Codierverfahren gemäß Fig. 10a.

In den Figuren bedeuten senkrechte Pfeile die einzelnen Abtastzeitpunkte und Dreiecke analogaddierende Verstärker.

Bei herkömmlichen Codes mit teilweiser Überlappung ermöglicht z.B. ein gewähltes Frequenzband 0 bis l/T die übertragung mit einer Datenfolgegeschwindigkeit 2/T unter Anwendung der nachstehend genannten Methode: Aus jedem originären Datenimpuls wird ein Doppelimpuls gebildet, bei dem mit einer Perlode T ein Echoimpuls übertragen wird, der, wie in Fig. 3a gezeigt,

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invers zum vorangehenden Impuls ist; die originären Daten

laufen mit einer Folgegeschwindigkeit 2/T ein. Solch ein Codierverfahren läßt sich mit einer Einrichtung gemäß Fig. 2 durchführen, die aus einem logischen Addierer mit zwei Eingängen und einer Verzögerungseinheit T besteht, wobei diese Anordnung nur ein mögliches Beispiel von vielen darstellt. Solch ein herkömmliches Codierverfahren ergibt ein Frequenzspektrum, dessen Einhüllende in Fig. 3 dargestellt ist. Fig. gibt eine weitere Erklärung für dieses Codierverfahren. Datenelemente a, b, c, ... sind die zu übertragenden Binärdaten mit einer Folgegeschwindigkeit von 2/T. Bezüglich der Zahl der pro Datenelement zu übertragenden Pegel ist in der vorliegenden Beschreibung noch keine Betrachtung gegeben worden, auch soweit dies die Pegelzahl für die zu übertragenden Doppelimpulse betrifft. Jedoch muß erwähnt werden, daß im Falle gemäß Fig. 4 bei zweipegeligen Ursprungsdaten die Abtastung zu den Zeitpunkten c, d, ... mit drei Pegelwerten erfolgen muß. Auf der Empfangsseite verlangt dieses Verfahren komplexe Decodieroperationen, da über die Leitung, außer bei den ersten Daten, sich gegenseitig überlappende Signale übertragen werden.

Noch mit der gleichen Bandbreite O bis l/T ist eine übertragung ohne Überlappungen möglich, wenn eine übertragung nur aller zwei Abtastzeitpunkte über je einen sogenannten geradzahligen und ungeradzahligen Kanal gemäß Fig. 5 stattfindet. Mit eingegebenen Binärdaten ergibt sich dabei ein zweipegeliges Signal ohne gegenseitige Überlappungen zu den einzelnen Abtastzeitpunkten. Die übertragungsgeschwindigkeit ist in diesem Falle jedoch nur l/T.

Um die Leistungsfähigkeit dieses Codes noch bei Verwendung eines Frequenzspektrums !zwischen O und l/T zu erhöhen, wird entsprechend der vorliegenden Erfindung die übertragung durch Überspringen je eines AbtastZeitpunktes bei jeweils drei Abtastzeitpunkten und durch abwechselnde Verwendung von zwei Doppelimpulsen erreicht, deren einer die zeltliche Länge T und deren Docket fr 969 026 109827/1356

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anderer die zeitliche Länge 2T hat, womit sich, wie in Fig. 6 gezeigt, keine störende Überlappung ergibt. Bei der Codierung von Binärsignalen wird ein zweipegeliges Signal zu den Abtastzeitpunkten der Daten a bis h usw. erreicht und die Datenfolgegeschwindigkeit auf 4/3 T gebracht. Dieser Code soll als "Hochleistungscode zweiter Ordnung mit teilweiser Überlappung" bezeichnet werden. Der vorangehend beschriebene Code könnte somit als Hochleistungscode erster Ordnung mit teilweiser Überlappung bezeichnet werden; alle diese Codes gehören zu einer Familie. Fig. 3 zeigt auch die Einhüllende des Frequenzspektrums μ eines entsprechenden Codes zweiter Ordnung. Diese Einhüllende hat eine erste O-Stelle bei F=l/T, weist jedoch ein weiteres Minimum bei F=1/2T auf, das sich bei einer zeitlichen Länge 2T der zusammengehörigen Doppelimpulse ergibt.

Somit ergibt sich bei der Anordnung von drei aufeinanderfolgenden jeweils zusammengehörigen Abtastzeitpunkten die Erkennung von zwei Doppelimpulsen zu den ersten beiden Abtastzeitpunkten; der dritte bleibt unbenutzt. Die Doppelimpulse sind auf dem geradzahligen und ungeradzahligen Kanal jeweils 2T und T lang.

Entsprechend lassen sich solche Hochleistungscodes dritter und vierter Ordnung mit zwei Pegeln durch überspringen jeweils " eines Abtastzeitpunktes aus vier oder fünf Abtastzeitpunkten aufstellen, wobei drei Doppelimpulse der Länge 3T, 2T und T bei Codes der dritten Ordnung und vier Doppelimpulse mit der Länge 4T, 3T, 2T und T bei Codes der vierten Ordnung verwendet werden. Datenfolgegeschwindigkeiten 3/2T und 8/5T lassen sich damit erreichen. Die Kurve 1 der Fig. 7 zeigt die Datenübertragungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Codeordnung bei Übertragung von zweipegeligen Signalen. Diese Kurve nähert sich asymptotisch einer Datenfolgegeschwindigkeit 2/T bei einem Code extrem hoher Ordnung.

Ähnliche Kurven lassen sich auch für die Fälle mehrpegeliger Daten, d.h. bereite »ehrpegeliger Doppelimpulse, aufstellen.

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Fign. 5 und 6 gelten auch, wenn die Daten a, b, ... mehr als zwei Pegel aufweisen. Die Kurven 2 und 3 in Fig. 7 stellen die Verhältnisse mit drei und vier Pegeln dar. Mit dreipegeligen Daten läßt sich eine Datenfolgegeschwindigkeit 2/T bereits mit einem Code zweiter Ordnung erzielen. Bei dreipegeligen Doppelimpulsen und einem Code der vierten Ordnung läßt sich eine Datenfolgegeschwindigkeit von ungefähr 2,4/T erreichen, was einer Erhöhung der Leistung um 20 % gegenüber herkömmlichen Codes mit teilweiser Überlappung bei gleicher Pegelzahl und gleicher Bandbreite entspricht.

Um die vorliegende Beschreibung klar verständlich zu machen, soll sie auf Codes vierter Ordnung beschränkt werden; dabei werden vier Doppelimpulsgruppen zu je fünf zusammengehörigen Abtastzeitpunkten übertragen. Dieses Verfahren könnte jedoch auf einen Code n-ter Ordnung erweitert werden, wobei η Doppelimpulse zu jeweils (n+1) aufeinanderfolgenden zusammengehörigen Abtastzeitpunkten zu übertragen wären.

Bis jetzt sind nur Doppelimpulse betrachtet worden, bei denen Zeichenüberlappungen nur zu solchen Zeitpunkten auftraten, wie z.B. zu den AbtastZeitpunkten χ und y gemäß Fig. 6; diese Abtast Zeitpunkte sind für die Datenauswertung nicht verwendbar. Damit wird die Leistungsfähigkeit des Codes eingeschränkt und die Verwendung eines Codes höherer Ordnung nahegelegt, um eine wirkliche Erhöhung der Datenfolgegeschwindigkeit gegenüber herkömmlichen Codes mit teilweiser Überlappung erreichen zu können.

Um die Codierung zu verbessern, wird entsprechend der vorliegenden Erfindung ein zusätzliches Datenelement über je einen Sekundärkanal des geradzahligen und des ungeradzahligen Kanals übertragen und zwar zu Abtastzeitpunkten, zu denen Echoe zusammenfallen, Deshalb werden sowohl der geradzahlige Kanal als auch der ungeradzahlige Kanal in je einen Hauptkanal und einen Sekundärkanal unterteilt. Die über den

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Sekundärkanal übertragenen Doppeliitipulse werden so eingegeben, daß jeweils der erste Impuls und auch sein Echo auf solche Zeitpunkte fallen, zu denen sich auf dem zugehörigen Hauptkanal gerade Echos überlappen. Eine solche Codierung ist in Fig. 8 für einen Hochleistungscode zweiter Ordnung mit teilweiser Überlappung dargestellt. Bei zweipegeligen Eingabedaten und Zeitpunkten sich überlappender Echos wie e und f ergibt sich für die übertragung ein vierpegeliges Signal. Bei dieser Codierung wird jedoch auf der Empfangsseite kein Detektor für vier Pegel benötigt. Dem Umstand, daß Echos auf einem Hauptkanal sich mit Daten auf dem zugehörigen Sekundärkanal Λ stören, läßt sich abhelfen, indem die Daten mit zusammenfallenden Echos zur eigenen Echokompensation gespeichert werden. Auf der Empfangsseite kann für jeden einzelnen Kanal und für einen Code zweiter Ordnung dieser Gedanke durch eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 9 verwirklicht werden. Diese Schaltungsanordnung enthält einen logischen Addierer mit drei Eingängen und zwei hintereinandergeschaltete Verzögerungsglieder mit je einer Verzögerungszeit T. Dem Addierer werden einerseits die Daten direkt von der übertragungsleitung und andererseits mit einer Verzögerungszeit T und einer Verzögerungszeit 2T zugeführt. Am Ausgang des Addierers ergibt sich ein zweipegeliges Signal zu den Abtastzeitpunkten der über den Sekundärkanal übertragenen Daten, d.h. zu den AbtastZeitpunkten e, f, k und 1. " Der andere mit Hauptkanal bezeichnete Ausgang dieser Anordnung liefert zu den Abtastzeitpunkten a, b, c, d; g, h, ... ohne Überlappungen zweipegelige Signale für den Hauptkanal.

Die Kurven 4, 5 und 6 in Fig. 7 zeigen die Leistungsfähigkeit einzelner Codes mit einem Sekundärkanal. Es ist hervorzuheben, daß sich unter Verwendung eines Sekundärkanals die übertragung wesentlich verbessern läßt gegenüber herkömmlichen Codes mit teilweiser Überlappung. Z.B. arbeitet ein dreipegeliger Code vierter Ordnung mit einem Sekundärkanal (Kurve 5) mit einer Datenfolgegeschwindigkeit von 2,8/T; dies entspricht einer Leistungsverbesserung von 40 % gegenüber herkömmlichen Codes

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bei gleicher Pegelzahl und gleicher Bandbreite.

Die Fign. 10a und 10b sind Zeitdiagramme für eine 4800/6400-Baud-übertragung, die eine dreipegelige Codierung zweiter Ordnung entsprechend der Erfindung benutzt. Die Arbeitsgeschwindigkeit von 4800 Baud läßt sich allein mit den Hauptkanälen erreichen; die Arbeitsgeschwindigkeit von 6400 Baud ist bei Verwendung zweier Hauptkanäle und zweier Sekundärkanäle zu erreichen. Die Daten A_r B, C, ... sind zu übertragende originäre Binärdaten und a, b, c, ... stellen die entsprechenden ternären Daten dar, die durch Kombination der Binärdaten A, B, ... erzeugt werden. Die dargestellten Doppelimpulse sind dreipegelige Doppelimpulse für die Daten a, b, c, ... .

Fig. IOa stellt die übertragung mit 4800 Baud dar. Da die Daten a, b, c, ... ternär sind, genügen vier dieser Daten, z.B. a bis d, sechs Binärdaten A bis F ausreichend wiederzugeben. Die zuletztgenannten Daten werden dazu z.B. in einem oder mehreren Schieberegistern gespeichert, um daraus ihre Kombinationen zu ternären Daten zu ermöglichen. Diese Speicherung wird auch zur Erzeugung der Echos der einzelnen Doppelimpulse verwendet.

Bei einer übertragung mit 6400 Baud unter Verwendung von Sekundärkanälen gemäß Fig. 10b ergeben sich die vier ternären Daten a bis d ebenfalls aus Kombinationen von sechs Binärdaten A bis F; die über die Sekundärkanäle übertragenen Ternärdaten g und h geben direkt die Originärdaten G und H wieder. Bei den Daten g und h werden nur zwei von deren drei Pegeln bei der Auswertung benötigt. Auf der Empfangsseite läßt sich eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 9 verwenden, der jedoch ein Dreipegelauswerter nachzuordnen ist.

Bei einer übertragung mit 4800 Baud läßt sich der Empfänger durch eine Korrelationseinrichtung gemäß Fig. 11 verbessern. Diese Einrichtung verwendet die in den Echos enthaltene Energie zur Verstärkung der Daten zu den einzelnen Abtastzeitpunkten. Docket fr 969 026 10 9 8 2 7/1356

Sie kombiniert die ersten Impulse der einzelnen Doppelimpulse mit Echos und verringert dabei Rauscheinflüsse, die bei der übertragung auftreten. Eine ähnliche Einrichtung ist in der deutschen Patentanmeldung P 20 11 512.2 mit französicher Priorität vom 17. April 1969 für ein übertragungsverfahren mit abgewogenen Elementarsignalfolgen und Echos genannt worden.

Die vorliegende Beschreibung beschränkte sich bisher auf ein begrenztes Frequenzband von O bis l/T und behandelte nur dieses Grundband. Die Codierverfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung können jedoch auch zur Modulation einer Trägerfrequenz verwendet werden, womit sich ein Frequenzband der Breite l/T, auf der Frequenzachse jedoch nach oben verschoben, ergibt. Ebenso ließen sich anstelle nur eines Trägers auch zwei dem Stande der Technik entsprechende orthogonale Trägersignale verwenden und sich dabei die Datenübertragungsgeschwindigkeit verdoppeln.

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Claims (3)

1. P A T E NTANSPRt)CHE

   Datenübertragungsverfahren unter Verwendung einer codierung mit sich zeitlich teilweise Überlappenden Signalen und eines Frequenzbandes der Breite O bis l/T, wobei unter Vorkehrung von Abtastzeitpunkten mit einem zeitlichen Abstand T für die zu Übertragenden Daten zwei Hauptkanäle gebildet werden, auf denen Doppelimpulse zu je zwei Impulsen übertragen werden, die zueinander invers sind,

   und solche Doppelimpulse den einzelnen zu übertragenden Datenelementen oder Kombinationen solcher Datenelemente zugeordnet werden,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß in zusammengehörigen Aufeinanderfolgen von (n+1) Abtastzeitpunkten mit η größer als 1 η erste Impulse von Doppelimpulsen zu η AbtastZeitpunkten jeder Aufeinanderfolge übertragen werden,

   daß zum verbleibenden (n+1)-ten Abtastzeitpunkt jeder Aufeinanderfolge überlappend die zweiten Impulse der η Doppelimpulse übertragen werden und daß die η Doppelimpulse der beiden Hauptkanäle eine jeweilige Länge nT, (n-l)T, ..., T aufweisen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Hauptkanal ein Sekundärkanal zugeordnet ist, über den mindestens für einen Teil der zur Übermittlung anstehenden Datenelemente oder deren Kombinationen Doppelimpulse übertragen werden,

   deren beider Einzel-Impulse mit sich überlappenden zweiten impulsen der auf dem zugehörigen Hauptkanal übertragenen Doppeliaapulse zusammenfallen.
3. 3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch η » 2.

   *«*.. FR ,«9 02« 109827/1366

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