DE4124836C2 - Verfahren zur Demodulation eines FSK-Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Demodulation eines FSK-Signals nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

FSK(Frequency Shift Keying)-Signale dienen zur Übertragung binärer Signale, z. B. einer Folge der Signale "0" und "1". Dabei wird jedem Signal eine bestimmte Frequenz zuge­ ordnet z. B. dem Signal "0" die Frequenz f₀ und dem Signal "1" die Frequenz f₁. Das FSK-Signal entspricht daher dem binären Signal und besteht aus einer Folge von Si­ gnalanteilen, die unterschiedliche Frequenzen besitzen. Bei einem Wechsel von "0" auf "1" oder umgekehrt ändert sich auch im FSK-Signal die Frequenz abrupt von f₀ auf f₁ oder umgekehrt. Bei der Demodulation wird aus einem sol­ chen FSK-Signal wieder ein binäres Signal erzeugt. Dabei ist es schwierig, die plötzlichen Wechsel der Frequenzen zuverlässig zu demodulieren. Denn die kürzest mögliche Zeit eines solchen Demodulationsvorgangs ist im allgemei­ nen durch die Einschwingzeit der vorhandenen Filter be­ grenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gat­ tungsgemäßes Verfahren anzugeben, das insbesondere bei ho­ hen Frequenzen, z. B. im GHz-Bereich, eine zuverlässige Demodulation eines FSK-Signals, das insbesondere eine hohe Nachrichtenübertragungsrate besitzt, ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein Filter, das unter bestimmten Voraussetzungen die Einschwingzeit Null besitzt, verwendet wird. Mit einem solchen Filter ist auch bei sehr hohen Nachrichtenübertragungsraten eine zu­ verlässige Trennung der Signalanteile mit unterschiedli­ chen Frequenzen möglich.

Die Erfindung beruht auf der Verwendung eines IIR(Infinite Impulse Response)-Filters, das in überraschender Weise un­ ter bestimmten Voraussetzungen die Einschwingzeit Null be­ sitzt und dessen Wirkungsweise in der am gleichen Tag ein­ gereichten deutschen Patentanmeldung P 41 24 834.1 (internes Ak­ tenzeichen UL 91/28) näher beschrieben ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels Fig. 2a bis 2d Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels entsprechend Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung zur Demodulation eines beispielhaften FSK-Signals x(n) (Fig. 2a). Nach der Demodulation entsteht daraus am Ausgang 4 das zugehörige binäre Signal b(n) (Fig. 2c). Die Anordnung besteht aus einer Reihenschaltung eines Hochpasses 1, einer Quadrier­ stufe 2 und eines Tiefpasses 3. Die Arbeitsweise dieser Anordnung wird im folgenden anhand der Fig. 2a bis 2d nä­ her erläutert.

Fig. 2a zeigt den Realteil Re{x(n)}, in Abhängigkeit von der Zeit n, eines FSK-Signals, bei welchem der logischen "0" die Frequenz f₀ und der logischen "1" die Frequenz f₁ zugeordnet sind. Dabei ist f₁ < f₀. Das in Fig. 2a darge­ stellte FSK-Signal entspricht der beispielhaften Binär­ folge 1101011. Ein Wechsel der Frequenzen ist nur bei dem Umschalten des zugehörigen Taktsignales c(n) (Fig. 2d) möglich, das heißt, daß das FSK-Signal x(n) und das Takt­ signal c(n) synchronisiert sind. In diesem Beispiel ist bei jedem Umschalten des Taktsignales c(n) ein Wechsel der Frequenzen möglich, das heißt, der Wechsel kann sowohl bei der aufsteigenden als auch der fallenden Flanke des Takt­ signales c(n) erfolgen. Alternativ ist es jedoch auch mög­ lich, die Periodendauer und/oder die Phasenlage des Takt­ signales c(n) so zu wählen, daß ein Wechsel der Frequenzen lediglich bei der aufsteigenden oder der fallenden Flanke erfolgt. Bei dem FSK-Signal x(n) (Fig. 2a) erfolgt also ein Wechsel der Frequenzen nur dann, wenn sich die binäre Information ändert (von "0" auf "1" oder umgekehrt) und wenn ein Umschalten des Taktsignales c(n) erfolgt.

Zur Demodulation eines solchen FSK-Signales x(n) wird die­ ses und das Taktsignal c(n) gemäß Fig. 1 einem Hochpaß 1 zugeleitet. Dieser besitzt einen Übergangsbereich, der zwischen den Frequenzen f₀ und f₁ liegt. Bei einem Wechsel der Frequenzen würde ein solcher Hochpaß nach dem Stand der Technik immer wieder neu einschwingen. Die zugehörige Einschwingzeit begrenzt in nachteiliger Weise die maximal mögliche Nachrichtenübertragungsrate.

Gemäß der Erfindung wird nun dieser Hochpaß 1, wie ein­ gangs erwähnt, als IIR-Filter ausgebildet. Bei jedem Um­ schalten des Taktsignales c(n), bei welchem auch in dem FSK-Signal x(n) ein Wechsel der Frequenzen möglich ist, erfolgt eine Neuinitialisierung des IIR-Filters. Diese Neuinitialisierung erfolgt immer, das heißt, unabhängig davon, ob ein Wechsel der Frequenzen tatsächlich erfolgt oder nicht, das heißt, eine Änderung der Binärinformation vorliegt oder nicht. Bei jeder dieser Neuinitialisierungen wird, wie in der eingangs erwähnten deutschen Patentanmel­ dung ausführlich erläutert, der Zustand (Gedächtnis) des IIR-Filters über darin enthaltene Spei­ cherelemente so geändert, daß sich das IIR-Filter immer in einem eingeschwungenen Zustand für den Signalanteil mit der Frequenz f₁ befindet. In diesen Fall hat der Hochpaß 1 in überraschender Weise auch für einen plötzlich (entspre­ chend der Sprungfunktion) aufgeschalteten Signalanteil mit der Frequenz f₁ die Einschwingzeit Null. In diesem Ausfüh­ rungsbeispiel erfolgt eine Neuinitialisierung entsprechend der erwähnten Patentanmeldung (UL 91/28; dortige Gleichun­ gen (17) und (21)) nur dann, wenn für das Taktsignal c(n) die Bedingung c(n) . c(n-1) < 0 erfüllt ist.

Am Ausgang des Hochpasses 1 (Fig. 1) entsteht dann ent­ sprechend Fig. 2b ein Ausgangsignal x_D(n), das lediglich Signalanteile mit der Frequenz f₁ enthält und ansonsten Null ist. Das Ausgangssignal x_D(n) wird anschließend in einem Quadrierglied 2 (Fig. 1) quadriert und einem Tiefpaß 3 (Fig. 1) zugeleitet, dessen Übergangsbereich zwischen den Frequenzen f₁ und 2f₁ liegt. In dem Tiefpaß 3 werden hochfrequente Demodulationsprodukte von dem zu erzeugenden binären Signal b(n) abgetrennt. Dieses liegt am Ausgang 4 an und hat den in Fig. 2c dargestellten Verlauf.

Es ist ersichtlich, daß eine einwandfreie Demodulation nur dann erfolgen kann, wenn auch der Tiefpaß 3 als IIR-Fil­ ter, das für den Signalanteil mit der Frequenz f₁ die Ein­ schwingzeit Null besitzt, ausgebildet wird. Da an dem Ein­ gang des Tiefpasses 3 nur ein Signalanteil mit der bekann­ ten Frequenz f₁ anliegt, braucht die komplexe Variable z = e^{j Ω 1} nicht durch eine Division bestimmt werden, wie diese in der erwähnten Patentanmeldung (UL 91/28), Glei­ chung (15) beschrieben ist. In den dortigen Gleichungen kann dann sofort

gesetzt werden, wobei T_a die der Periodendauer des Taktsi­ gnales c(n) entsprechende Taktfrequenz bedeutet. Aus den erwähnten Gleichungen (17) und (21) folgt dann:

Aus diesen Gleichungen ist ersichtlich, daß bei der In­ itialisierung der jeweilige Signalanfang x_D(0) sehr wichtig ist. Ist x_D(0) = 0, so wird das Gedächtnis des IIR-Filters nur mit Nullen vorbesetzt. Schaltet das Taktsignal um (d. h. c(n) . c(n-1) < 0), so wird der Zeitindex n für das Signal x_D(n) wieder auf Null gesetzt und es beginnt eine Neuinitialisierung gemäß den oben genannten Gleichungen.

Mit einem solchen Demodulationsverfahren ist beispiels­ weise ein FSK-Signal mit f₁ = 1,05 GHz und f₀ = 1,00 GHz demodulierbar, wobei die logische "0" und "1" eine zeitli­ che Länge besitzen, die lediglich 50 Schwingungen der zugehörigen Frequenzen entsprechen.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwend­ bar. So ist es beispielsweise möglich, die erwähnten Fil­ ter (Hoch- und Tiefpaß) und das Quadraturglied als ASIC zu entwerfen und damit die schnelle Datenverarbeitung zu ge­ währen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Demodulation eines FSK-Signals, das min­ destens zwei Signalanteile mit unterschiedlichen Frequen­ zen enthält, wobei die Signalanteile mit Hilfe eines Fil­ ters getrennt werden, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß das FSK-Signal (x(n)) einem Hochpaßfilter (1), dessen Übergangsbereich zwischen den Frequenzen der Signalanteile liegt, zugeführt wird,
• 2. daß das Hochpaßfilter (1) als IIR-Filter, das von einem Taktsignal (c(n)) gesteuert wird, ausgebil­ det wird,
• 3. daß das FSK-Signal (x(n)) und das Taktsignal (c(n)) synchronisiert werden,
• 4. daß bei einem Umschalten des Taktsignales (c(n)) ein Wechsel der Signalanteile erfolgen kann,
• 5. daß bei jedem Umschalten des Taktsignales (c(n)) eine Neuinitialisierung des Hochpaßfilters (1) er­ folgt und
• 6. daß aus dem Ausgangssignal (x_Dn)) des Hochpaßfil­ ters (1) ein digitales Signal gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (x_D(n)) des Hochpasses (1) quadriert und über einen Tiefpaß (3), dessen Übergangsbereich sich zwischen der höchsten Frequenz (f₁) und deren Doppeltem (2f₁) befindet, an Ausgang (4) geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Tiefpaß (3) als IIR-Filter ausgebil­ det wird, welches für den Signalanteil mit der höchsten Frequenz (f₁) die Einschwingzeit Null besitzt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der als IIR-Filter ausgebildete Tiefpaß (3) bei jedem Umschalten des Taktsignales (c(n)), bei dem in dem FSK-Signal ein Wechsel der Frequenzen mög­ lich ist, neu initialisiert wird und daß dabei die An­ fangswerte (x_D(0)) auf vorbestimmte Werte gesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein FSK-Signal verwendet wird, bei welchem die zu den binären Signalen ("0", "1") gehö­ renden Signalanteile eine zeitliche Länge besitzen, die größer gleich dem 50-fachen der zugehörigen Schwingungs­ dauern 1/f₁ bzw. 1/f₀ gewählt werden.