DK147535B - Digitalt transmissionsudstyr med kodnings- og dekodningsudstyr - Google Patents

Description

i 147535

Opfindelsen angår udstyr til transmission af telegrammer (informationsstrenge) af digitale data via transmissionsstrækninger med bitfejl, der navnlig optræder i byger, såsom datatransmission via mobil radio, hvilket udstyr på sendersiden omfatter kodningsudstyr til 5 dannelse af telegrammer (informationsstrenge) bestående af to eller flere gange gentagne ord, der hver består af et bestemt antal (f.eks.

d) bit, samt til forsyning af telegrammet (informationsstrengen) med synkroniseringsinformation, og som på modtagersiden omfatter dekodningsudstyr til detektering af det afsendte telegram 10 (informationsstreng).

1 forbindelse med datatransmission forekommer der ofte bitfejl, der enten kan optræde tilfældigt fordelt tidsmæssigt eller gruppere sig mere eller mindre tæt. I sidstnævnte tilfælde taler man om, at 15 bitfejlene optræder i byger (eng. bursts), hvilket er et udtalt fænomen ved datatransmission med mobilt radioudstyr, hvor bitfejlene først og fremmest afstedkommes af fading, og i mindre grad af støj fremkaldt i elektriske maskiner, bilers tændingsstøj, etc.

20 Bitfejl i almindelighed kan detekteres og korrigeres ved en hensigtsmæssig indretning af telekoromunikationsudstyret. En meget almindelig metode til detektering af bitfejl er at generere kontrolbit, som frembringes og detekteres efter en bestemt algoritme, der kan fastlægges i afhængighed af støjens karakter, dvs. bl.a. i afhængighed 25 af, om bitfejlene optræder tilfældigt spredt eller forekommer i byger, jvnf. artiklen "Using polynomial codes" i Electronic Engineering, juli 1976, pp. 46-49.

Det er også kendt fra ovennævnte artikel at benytte sig af 30 bitgentagelse som led i fejlkorrigeringsproceduren. Dekodningen kan f.eks. ske ved at sammenligne ordene og deres gentagelser bit for bit, således at den hyppigst optrædende bit anses for at være den korrekte.

Ordlængden kan være forskellig, men i almindelighed transmitteres de digitale data i grupper på 4, 8 eller 16 ja helt op til 32 bit, hvor 35 hver gruppe repræsenterer en karakter, dvs. et tal eller et bogstav, 147535

O

eller en anden veldefineret information.

Andre gruppeinddelinger kan naturligvis også tænkes.

For at kunne modtage en sekvens af digitale data, altså ovennævnte 5 telegram eller infomationsstreng, korrekt, er det nødvendigt at vide, hvornår sekvensen begynder og hvornår den slutter. Ved asynkron datatransmission detekteres gruppeinddelingen ved hjælp af en startbit og en stopbit, medens der ved synkron datatransmission, hvor transmissionshastigheden er stor, benyttes gruppeinddelinger, der følger 10 bestemte protokoller eller formater, som indeholder fejldetekteringsprocedurer.

Gruppeinddelingen består i, at telegrammet eller informationsstrengen indledes med et antal synkroniseringsbit, som danner et på forhånd aftalt synkroniseringsmønster, hvorefter følger de egentlige informa-15 tionsbærende databit afsluttende med redundante bit. I modtageren ledes efter synkroniseringsbitmønsteret, der kan akcepteres også selv om det er ramt af et mindre antal bitfejl.

Det er imidlertid klart, at telegrammets synkroniseringsdel på trausmi s s ions s trækninger, hvor bitfejlene oftest optræder i byger, også 20 vil blive ramt af byger af bitfejl. Ønsket om en acceptabel telegram-akceptans, hvorved forstås forholdet mellem antallet af korrekt modtagne telegrammer og antallet af afsendte telegrammer, dikterer imidlertid et kompromis mellem en kort synkroniseringsdel, hvor resultatet er en hyppig optræden af falske synkroniseringer, og en lang 25 synkroniseringsdel, hvor sandsynligheden for at blive ramt af bygefejl er stor. Denne afvejning med henblik på at maksimere telegraraacceptansen medfører i reglen en synkroniseringsdel, som udgør en forholdsvis stor del af telegramlængden.

30 Transmissionsudstyr af indledningsvist nævnte art er ifølge opfindelsen ejendonsneligt ved midler, som på sendersiden under kodningen bevirker, at hvert ord i telegrammet (informationsstrengen) udsættes for en Exclusive OR operation med hvert sit ord af et på forhånd aftalt bitmønster af højst samme længde som telegrammet (informations-35 strengen), og som udgør en pseudotilfældig binær sekvens med høj auto-korrelationskoefficient, og som på modtagersiden bevirker, at hvert ord 3 U75a& i det modtagne telegram (informationsstreng) under dekodningen løbende udsættes for en Exclusive OR operation med hvert sit ord af ovennævnte på forhånd aftalte og et synkroniseringsvindue udgørende bitmønster til genvinding af det oprindelige telegram (informationsstreng), og at de 5 enkelte ordgentagelser i det genvundne telegram sammenlignes indbyrdes således, at informationsstrengen akcepteres som korrekt modtaget, dersom identitet konstateres mellem mindst to gentagelser af hvert ord i det modtagne og genvundne telegram.

10 Det er velkendt, at en Exclusive OR operation udført to gange med samme bitmønster på en binær sekvens efterlader denne sekvens uændret.

Ved at udføre denne operation første gang på sendersiden og anden gang på modtagersiden opnås en inqplicit telegramsynkronisering, hvor hele det synkroniseringsmønster, som hidtil har været foranstillet den Ib databærende del af telegrammet, er overflødiggjort med en øget datasignaleringshastighed til følge. Forudsætningen er, at det bitmønster, hvor ræd der foretages en Exclusive OR operation, er det samme på sender- som på modtagersiden. Dvs. det optræder som en fast bestanddel af senderudstyret såvel som af modtagerudstyret.

20 Synkroniseringsfunktionen kommer i stand derved, at de enkelte ord eller bytes i telegrammet løbende udsættes for en Exclusive OR operation under modtagelsen, hvor telegrammet styret af en bestemt taktgiver forskydes gennem et sæt skifteregistre i modtageren. Efter hvert skift evalueres resultatet af Exclusive OR operationen i 25 komparatorkredsløb, hvor de enkelte byte-grupper sammenlignes parvis.

Så længe det modtagne telegram så at sige ikke er på plads, vil Exclusive OR operationen ikke gendanne de oprindelige ord eller bytes, hvorfor sammenligningen mellem de enkelte ord ikke vil udvise identitet noget sted. Først i det øjeblik, det ankommende telegram, som jo i sig 30 selv medfører et latent billede af det aftalte bitmønster, under forskydningen i skifteregistrene lagres i positioner, hvor Exclusive OR operationen genskaber det oprindelige telegram, kan der ved den parvise sammenligning bytegrupperne imellem markeres identitet mellem ordgentagelserne, og den overførte meddelelse kan læses. Det aftalte 35 bitmønster udgør således et synkroniseriugsvindue.

147535 4

At det aftalte bitmønster har en høj autokorrelationskoefficient betyder, at korrelationsforskellen mellem bitmønsteret selv og dets permutationer er stor. I den engelsksprogede litteratur benævnes autokorrelationskoefficienten "index of discriminarion" (ID). Jvf.

5 iøvrigt R.C. Dixon "Spread Spectrum Systems", New York 1976, pp. 64-72.

Fra beskrivelsen til USA patent nr. 3.466.601 kendes ganske vist en teknik til automatisk retablering af synkronismen ved transmission af fejlkorrigerende cykliske koder, hvor hvert ord, der skal 10 transmitteres, udsættes for en Exclusive OR operation på sender- såvel som på modtagersiden. Exclusive OR operationen tjener her et andet formål end ifølge opfindelsen, idet den i det kendte system på modtagersiden tjener til detektering af, om der er et slip i synkronismen, hvor stort dette slip er, og om man er forud eller bagud 15 i forhold til tidsreferencen. Det er altså en forudsætning, at der benyttes synkron transmission, således at der på modtagersiden er visse forventninger med hensyn til telegrammets ankomsttidspunkt. Det er endvidere en forudsætning for brugen af Exclusive OR teknikken, at der benyttes cykliske koder indeholdende informationsbit og kontrolbit 20 (CRC), idet der på grundlag af de cykliske koders specielle egenskaber kombineret med Exclusive OR operationerne kan tilvejebringes information om, hvorvidt konstaterede bitfejl er forårsaget af manglende synkronisme eller af transmissionsstøj, og i tilfælde af manglende synkronisme information om slippets størrelse og retning, 25 således at synkronismen kan blive retableret.

Denne kendte teknik egner sig således kun til synkron datatransmission af cykliske koder. Desuden er den bitsekvens, hvormed der udføres en Exclusive OR operation ikke altid den samme på sender- og modtagersiden og afhænger iøvrigt af, hvilken dekodningsalgoritme, der i den givne 30 situation benyttes, hvilket igen afhænger af, om der benyttes en fuld cyklisk kode eller en afkortet cyklisk kode. Endelig giver den kendte teknik i nogle tilfælde kun mulighed for retablering af synkronismen, dersom denne kun er en enkelt bit forud eller bagud.

35 I modsætning hertil benyttes udstyret ifølge opfindelsen til asynkron transmission og forudsætter blot, at hvert ord i informationsstrengen 147535 5 gentages et antal gange, at telegrammet udsættes såvel på sendersiden som på modtagersiden for en Exclusive OR operation med den samme pseudotilfældige binære sekvens, og at denne sekvens har høj autokorrelationskoefficient. Herved kombineres på en ny og enkel måde 5 en implicit telegramsynkronisering med en flertalsafstemning på byte-niveau, hvor synkronismen først etableres i det øjeblik, der konstateres identitet mellem parvist sammenlignede ord (bytes).

Opfindelsen forklares nærmere nedenfor under henvisning til tegningen, XO hvor fig. 1 viser et blokdiagram for en udførelsesform for en radiostation til et transmissionsudstyr ifølge opfindelsen, og fig. 2a - 2f et antal telegrammer sendt med transmissionsudstyret ifølge opfindelsen.

15

Den i fig. 1 viste radiostation omfatter en antenne 1, som over en antenneledning 2 er forbundet til en antenneomskifter 3, som har et elektronisk styret relæ 4, som kan forbinde antennen 1 enten til en sender 5 eller til en modtager 6. Et ligeledes elektronisk styret relæ 20 7 liar omskifterkontakter 8, som kan forbinde senderen enten til en modulator 9 eller til en raikrofonforstærker 10 med en mikrofon 11, og omskifterkontakter 12, som kan forbinde modtageren 6 enten til en demodulator 13 eller til en forstærker med et lydgengivelsesapparat 15.

25 Relæerne 4, 7 og 12, senderen 5, modtageren 6, modulatoren 9 og demodulatoren 13 er over ledninger forbundet til input- outputenheden 16 i en mikrodatamat, baseret på en mikroprocessor 17, der på i og for sig kendt måde er forbundet med en timer 18, med ROM'er og/eller PROM’er 19, med en RAM 20 og med en taktgiver 21. Denne mikrodatamat 30 kan yderligere over ikke nærmere viste ledninger 22 være forbundet med forskelligt betjeningsudstyr, såsom lamper, klokker, displays, trykknapper, omskiftere, tastaturer, skrivere eller lignende.

Den foran beskrevne sender/modtager vil forstås at være indrettet til 35 kommunikation af såvel binære telegrammer, som af analoge signaler, f.eks i fona af tale, og er en udførelsesform med skift mellem digital 147535 6 og analog transmission.

KOM'en 19 har indlæst information om, hvorledes de telegrammer skal formuleres, som via modulator 9 og sender 5 skal sendes til en fremmed 5 modtager, og om hvorledes telegrammer, der modtages fra en fremmed sender, skal dekodes.

Telegrammernes informative indhold er vilkårligt, men kan være information til selektivt opkald af en ønsket anden abonnent, eller 10 information, f.eks. om en tilstand, som registreres lokalt, og som indgår analogt eller digitalt over en af ledningerne 22.

En udførelsesform for en telegramkode med en telegramlsngde på 96 bits udført med et transmissionsudstyr ifølge opfindelsen er vist på fig.

15 2a. Her betegner Bl, B2, B3 og B4 henholdsvis databyte nr. 1, 2, 3 og 4 og det bemærkes, at 1 byte er lig med 8 bits. Her betegner databyte et "ord", og det ses, at det første ord sendes efterfulgt af to gentagelser, hvorefter det samme mønster gentages for de tre næste ord i telegrammet. Dekodningen sker ved, at der foretages en sammenligning 20 af hvert ord i telegrammet med hver gentagelse af samme ord, indtil sammenligningen udviser identitet. Det ses, at en byte i hver af fire grupper af tre bytes kan være fejlbehæftet uden at detekteringen generes, og heraf fremgår fejlkorrigeringen. Hvis mere end een af tre bytes i en gruppe er fejlbehæftet, vil ingen af sammenligningerne 25 udvise identitet, og dermed må telegrammet afvises og heraf fremgår fejldetekteringen. Byte flertalsafstemning giver dermed også fejldetektering, i modsætning til bit flertalsafstemning, der kun er en fejlkorrektion, idet der skal være mindst 2 ud af 3 bytes identiske, mens mindst 2 ud af 3 bits skal være identiske ved bit 30 flertalsafstemning, og dette vil naturligvis altid være opfyldt.

Specielt giver byte flertalsafstemning en fordel, når indgangssignalet til dekoderen er tilfældigt (støj). Her vil en bit flertalsafstemning altid give en fejlagtig meddelelse, mens de enkelte bit i mindst to 35 bytes skal stemme overens ved byte flertalsafstemning. Der kan dog ske det, at to bytes i en gruppe begge rammes af fejl i to ens placerede 7 147535 bits. Herved er der mulighed for en falsk detektering. Denne mulighed består i en hvilken som helst kodning. Hvis man vil sikre sig mere, end det her er implicit givet, kan telegrammet udvides med yderligere en byte, der fungerer som cyklisk redundans kontrol (CRC). Denne byte skal 5 da gentages ligesom de fire databytes og dekodes på samme måde.

I det ovenfor beskrevne er telegramsynkroniseringen af tydelighedshensyn ikke medtaget. Det faktisk udsendte bitmønster er derfor ikke det i fig 2a viste, men det i fig. 2b viste. Det skal her 10 indskydes, at det i en cirkel indføjede plus-tegn symboliserer en

Exclusive OR operation. Der kendes flere måder for udførelse af denne operation. Bytene Cl - C12 repræsenterer 12 bytes, der er aftalt som synkroniseringstegn og er valgt fra et bitmønster med høj autokorrelationskoefficient, det vil sige, at bitmønstret udgør en 15 pseudo tilfældig binær sekvens med lige mange O-bits og 1-bits, f.eks. genereret i et skifteregister med en eller flere tilbagekoblinger.

1 dekoderen underkastes de 12 modtagne bytes en Exclusive OR operation med det valgte synkroniseringsbitmønster, hvorved de oprindelige ord 20 fremkommer, da et ord, som to gange underkastes en Exclusive OR

operation med det samme ord, genopstår uforandret. Herved Opnås, at hvis dekoderen i sit lager ikke har det rette "vindue" af bits, vil der være meget lille sandsynlighed for, at nogen af sammenligningerne viser identitet. Heraf fremgår telegramsynkroniseringen. De 12 bytes C1-C12 25 indrammer på denne måde meddelelsen, der skal dekodes, d.v.s. dekoderen kender begyndelse og slutning. Telegransynkronisering ifølge opfindelsen bevirker dermed, at det ikke er nødvendigt med et telegrarasynkroniseringsmønster foran meddelelserne således som nævnt i indledningen.

• 30

Ved at vælge forskellige bitmønstre C1-C12, der hver især har en høj autokorrelationskoefficient men indbyrdes er orthogonale, kan telegramkoden ifølge opfindelsen umiddelbart benyttes til selektive opkald. Der kan dermed foretages opkald til forskellige enheder ved 35 blot at ændre synkroniseringsmønsteret, d.v.s. uden at benytte bit fra selve meddelelsen.

& 147535 8

Det vides, at bitfejlene ved datatransmission via mobil radio ofte vil optræde med et antal bitfejl på stribe. Det kan derfor være fordelagtigt i stedet for bitmønstret i fig. 2a at vælge det i fig, 2c viste bitmønster, som modstår op til 16 bitfejl på stribe forekommende 5 op til to gange. To bitfejlgrupper, hver på 9 bitfejl med 39 bits afstand vil med sikkerhed blive rettet.

En anden mulighed vil være at vælge den i fig. 2d viste sekvens, som er i stand til at modstå op til 32 bitfejl på stribe forekommende een 10 gang. Bitfejlgrupper med 25 bitfejl rettes med sikkerhed.

Om man vil vælge formaterne vist i fig. 2a, 2c eller 2d afhænger af en afvejning af ønskerne til fejlkorrigeringsegenskabeme. Ulempen ved en forøget modstandsevne overfor bitfejl på stribe er en ringere 15 modstandsevne overfor jævnt fordelte bitfejl.

Endnu større telegramakceptans kan opnås, hvis man forøger telegramlængden til f.eks. 123 bits. Man kan da sende hvert ord fire gange, som det fremgår af fig. 2e. Denne sammenstilling modstår op til 20 16 bitfejl på stribe op til 4 gange forekommende og 4 bitfejlgrupper, hver på op til 9 bitfejl med mindst 23 bits afstand rettes med sikkerhed. Som det fremgår af fig. 2f kan ordene ombyttes, så det, der gentages, er et ord-par, og sammenligningen kan da ske mellem de enkelte ord eller mellem ord-par. Et telegram som det i fig. 2f viste 25 modstår op til 32 bitfejl på stribe for hver halvdel af telegrammet og grupper på 25 bitfejl på stribe med 39 bits afstand rettes med sikkerhed.

Ved at tilpasse den under dekodningen stedfindende række af 30 sammenligninger til transmissionskanalens statistiske bitfejlfordeling vil det være muligt at forbedre telegramakceptansen for den pågældende transmissionsstrækning. Selv om dekodningen foregår med en mikrodatamat, vil det forstås, at sammenligningsproceduren kan ske i kredsløb opbygget af standard integrerede komponenter af f.eks. TTL-35 eller CMOS-typen.