-
Anordnung zur gesicherten Datenübertragung Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur gesicherten Datenübertragung, bei dem sendeseitig für jeweils
einen Datenblock nach einem vorgegebenen Kode mittels eines Kodierwerkes eine Prüfzeichengruppe
gebildet wird. Das System weist empfangsseitig zur Auswertung der Prüfzeichengruppen
durch Erkennung und/oder Korrektur von übertragungsfehlern ein Dekodierwerk auf.
Einrichtungen zur amplitudenmäßigen Erkennung von Kanalstörungen sind vorgesehen.
-
Datenübertragungssysteme sind hinreichend beschrieben, insbesondere
auch solche, bei denen das empfangsseitige Erkennen von übertragungsfehlern eine
Informationswiederholung durch den Sender auslöst. Zu diesem Zweck besteht vom Empfänger
zum Sender eine Rückverbindung. Außer der Aufgabe dieser Systeme, eine Datenübertragung
mit extrem niedriger Fehlerwahrscheinlichkeit durchzuführen, besteht die weitere,
zur übertragung möglichst wenig redundante Kodes zu verwenden. Man möchte also einen
möglichst hohen resultierenden Informationsluß erzielen. Unter Kodierung soll hier
nicht die normale binäre Verschlüsselung vorgegebener Zeichen verstanden werden,
sondern das Ableiten und Hinzufügen von binärer Prüfinformation zu binären Zeichen
oder Datengruppen.
-
Zur Erzielung einer bestmöglichen Kanalausnutzung ist es aus der deutschen
Auslegeschrift 1191411 bekannt, die Aussendegeschwindigkeit von binären Daten
dem jeweiligen die Datenübertragung tragenden Kanal anzupassen. Dies soll dadurch
geschehen, daß sowohl der Sender als auch der Empfänger auf verschiedene, untereinander
jedoch jeweils gleiche Arbeitsgeschwindigkeiten einstellbar sind. Eine Obertragung
soll zunächst mit einer bestimmten Arbeitsgeschwindigkeit beginnen und dann in Abhängigkeit
von der Fehlerhäufigkeit am Empfangsort auf eine zweckmäßigere Geschwindigkeit umgeschaltet
werden.
-
Weiterhin ist es aus der deutschen Auslegeschrift 1189 1.1.9
bekannt, den jeweiligen übertragungskanal am Empfangsort mittels Stördetektoren
auf Störungen zu überwachen und dann eine Informationswiederholung auszulösen, wenn
die Störungen vorgegebene Störgrenzen überschreiten. Die Störgrenzen können sehr
eng gehalten werden, so daß sich die Möglichkeit der Verwendung eines Kodes geringer
Redundanz oder unkodierten Datenübertragung ergibt. Um hierbei eine geringe Fehlerwahrscheinlichkeit
in der empfangenen und in der Folge auszuwertenden Information zu erzielen, müssen
die Störgrenzen sehr eng gehalten werden. Dies bringt ein oftmaliges überschreiten
der Fehlergrenzen und somit einen zu niedrigen resultierenden Informationsfluß durch
zu häufige Wiederholung mit sich.
-
Zur Herabdrückung der Fehlerwahrscheinlichkeit ist es bekannt, außer
den allgemein geläufigen Kodierungen, wie sie z. B. in dem Buch von W. W. P e t
e rson, »Error Correcting Codes«, 1961, beschrieben sind, für aufeinanderfolgende
Datenblöcke unterschiedliche Kodes zu verwenden (deutsche Auslegeschrift
1187 265). Durch ein solches Vorgehen lassen sich systematische, in gewissen
Abständen wiederkehrende Fehler am besten erkennen.
-
Ziel der Erfindung ist es, für die bekannten Datenübertragungssysteme
Maßnahmen zu treffen, die bei wenigstens gleicher Sicherheit bezüglich der bekannten
Systeme eine Erhöhung des resultierenden Informationsflusses, also der über den
jeweiligen Kanal fehlerfrei übertragenen Information pro Zeiteinheit, ermöglichen.
-
In der deutschen Auslegeschrift 1117 156 ist eine Schaltungsanordnung
für elektronische Fernschreibzeichensender beschrieben, bei der die Anzahl und die
Länge der Schritte der auszusendenden Fernschreibzeichen umstellbar sind. Dadurch
ergibt sich die Möglichkeit, die Fernschreibzeichen wahlweise nach einem von mehreren
Fernschreibzeichenkodes (Telegraphenalphabete) auszusenden. Anregungen zum Entwurf
einer Datenübertragungsanordnung, die der Aufgabe der vorliegenden Erfindung entspricht,
können dieser Auslegeschrift nicht entnommen werden.
-
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das senderseitige Kodierwerk
und das empfangsseitige Kodierwerk derart umschaltbar ausgebildet sind, daß sie
in Abhängigkeit von ihrer Ansteuerung für Datenblöcke gleicher Länge wahlweise Prüfzeichengruppen
unterschiedlicher Länge ableiten bzw. auswerten und daß Schaltmittel vorgesehen
sind, die in Abhängigkeit
von der Störungs- und/oder Fehlerhäufigkeit
das Kodier- und Dekodierwerk auf die Ableitung bzw. Auswertung von Prüfzeichengruppen
größerer Länge umschalten.
-
Von den Zeichnungen zeigt F i g. 1 als Beispiel zur Erfindung blockschaltbildmäßig
ein Duplexdatenübertragungssystem und F i g. 2 ein einfaches, umschaltbares Kodierwerk.
-
Das Duplexdatenübertragungssystem der F i g. 1 besteht aus einem Sender
1, einem Empfänger 2, einem übertragungskanal31 in Richtung vom Sender 1 zum Empfänger
2 und einem Rückkanal 32. In ihm sind Information führende Leitungen stark und Taktleitungen
ebenso wie Steuerleitungen gestrichelt ausgezogen. Der Sender besteht im wesentlichen
aus einer Quelle 10, einer Kodiereinheit 11, einem Modulationsgerät 12, einem Wiederholspeicher
13 und einer Steuereinheit 14. Die Quelle wird von der Steuereinheit 14 gesteuert.
Sie gibt die Daten in Form von Binärelementen aus. Diese laufen von der Quelle 10
herkommend in das Kodierwerk 11 ein, welches die zu jeweils einem Datenblock zugehörige
Prüfinformation ableitet und die Bits jedes Datenblockes in Serie an das Modulationsgerät
12 abgibt. Ein ausgesandter Datenblock besteht daher aus Information plus Prüfinformation.
Die von der Quelle 10 ausgegebene Information läuft zu Wiederholungszwecken außerdem
in den Wiederholungsspeicher 13 ein. Wird die Information unmittelbar von der Quelle
10 in den Wiederholungsspeicher 13 eingegeben, so ist es notwendig, die im Falle
einer Wiederholung aus dem Wiederholspeicher ausgesandte Information nochmals durch
das Kodierwerk 11 laufen zu lassen. Diese Maßnahme erübrigt sich dann, wenn der
Wiederholspeicher zwischen dem Kodierwerk 11 und dem Modulationsgerät 12 angeschlossen
ist. Da er in diesem Fall außer der eigentlichen Information pro Block auch dessen
Prüfinformation aufzunehmen hat, muß er hier ein größeres Speichervermögen aufweisen.
-
Die den Empfänger 2 erreichenden Daten werden zunächst mittels eines
Demodulationsgerätes 22 demoduliert und danach durch ein Dekodierwerk 21 dekodiert.
Das Dekodierwerk gibt die Information jedes Blockes nach Feststellung der Fehlerfreiheit
an eine Senke 20 weiter. Das Dekodierwerk 21. arbeitet in bekannter Weise derart,
daß es aus der Information eines Blockes nach den gleichen Regeln wie auf der Sendeseite
das Kodierwerk eine Prüfinformation ableitet und diese mit der vom Sender mitgesandten
Prüfinformation auf Fehler vergleicht. Werden solche festgestellt, so gibt das Dekodierwerk
21 eine Fehlermeldung an eine Empfängersteuerung 24, welche daraufhin über den,
Rückkana132 und die Sen.dersteuerang 14 eine Wiederholung des fehlerhaften Blockes
veranlaßt. Zum gleichen Zweck ist im Empfänger ein Detektor 23 vorgesehen, der entweder
vor oder nach dem Demodulator 22 eine Amplitudenüberwachung vornimmt und bei überschreiten
vorgegebener Amplitudengrenzen durch die Kanalspannung ein Wiederholungssignal an
den Sender über die Empfängersteuereng 24 auslöst. Der Detektor 23 ist also zur
Erkennung von additiven und multiplikativen Störungen vorgesehen. Erreichen diese
ein bestimmtes Maß, kann mit großer Wahrscheinlichkeit angenommen werden, daß die
Information ebenfalls nicht mehr richtig erkannt wird. Eine Wiederholungsanforderung
ist daher erforderlich. Der Detektor 23 kann dabei als Maximaldetektor oder als
Nulldetektor oder als Kombination aus beiden Detektorarten gebildet sein. Sowohl
die Nulldetektoren als auch die Maximaldetektoren sind aus der Literatur hinreichend
bekannt. So ist z. B. die Wirkung von Nulldetektoren ausführlich beschrieben in
Proceedings IRE, Vol. 45, Juli 1957, S. 964 bis 975; die der Maximaldetektoren z.
B. in der deutschen Auslegeschrift 1189 119.
-
Das Datenübertragungssystem, wie es bisher beschrieben wurde, ist
im Prinzip ebenfalls bekannt und ausführlich z. B. in der Zeitschrift »Elektronische
Rechenanlagen«, 3 (1961), H. 4, S. 148 bis 159, beschrieben.
-
Der Kodierer 11 des Senders 1 und der Dekodierer 21 des Empfängers
2 sind nun derart aufgebaut, daß sie Prüfinformation aus der ihnen gelieferten Information
nach verschiedenen Kodes ableiten können. Im allgemeinen wird die wahlweise Ableitung
nach einem von zwei verschiedenen Kodes und mithin die Ableitung von zwei verschiedenen
Prüfinformationslängen genügen. Da zur Kodierung und Dekodierung eines Blockes jeweils
der gleiche Kode verwendet werden muß, sind Steuerungsmaßnahmen vorgesehen, die
eine entsprechende zeitgerechte Umschaltung des Kodierers und Dekodierers auf den
jeweils notwendigen Kode vornehmen.
-
Das Dekodierwerk möge so beschaffen sein, daß es m Fehler korrigieren
und m+n Fehler zu erkennen vermag, Im. Fall der ungestörten übertragung sind sowohl
der Kodierer 1.1 als auch der Dekodierer 21 auf die geringste Prüfinformationslänge
1l (Kode .L,) eingestellt. In diesen Zustand kann das Dekodierwerk 21 ml
Fehler korrigieren und (ml+nl) Fehler erkennen, Weist ein Block bis ml Fehler auf,
so werden diese korrigiert; weist er zwischen ml und (ml +n1) Fehler auf, so gibt
der Dekodierer 21 ein Signal ab, das in der Folge die Informationswiederholung veranlaßt.
Stellt der Dekodierer 21 über wenigstens zwei Blöcke hinweg in jedem Block (ml+k),
k= 1, 2 ... Fehler fest, so gibt die Empfängersteuerung 24 ein Signal
an den Sender l ab, welches diesen veranlaßt, nach Aussendung des gerade laufenden
Blockes den Kodierer 1,1 auf die Prüfinformationslänge 1, (Kode L2) einzustellen
und danach unter Benutzung des Kodes L2 mit der Wiederholung zu beginnen oder fortzufahren,
sofern sich das System bereits im Wiederholzustand befindet. Um nun den jeweils
ersten Block des Kodes L2 empfängerseitig zwecks Umschaltung des Dekodierwerkes
21. auf den Kode L2 erkennen zu können, werden entsprechende Kodeankündigungssignale
vom Sender zum Empfänger gesendet, Im Sender sind Erkennungsschaltungen für diese
Signale vorgesehen. Diese Erkennungsschaltungen sind in der F i g. 1 jedoch nicht
dargestellt. Die Kodeankündigungssignale müssen so beschaffen sein, daß sie mit
Sicherheit auf der Empfangsseite erkannt werden. Dies wird durch die übertragung
eines Blockes von unter sich gleichen Bits erreicht. Nach dem Empfang des den. Kode
L2 ankündigenden Signals schaltet die Empfängersteuerung den Dekodierer auf den
Kode L2 um. Mit diesem werden m2 > ml Fehler korrigiert und (m2+n2) > (ml+nl)
Fehler erkannt. Das Korrigieren einer größeren Fehlerzahl hat zur Folge, daß nunmehr
die Datenübertragung im Mittel mit weniger Wiederholungen vor sich geht als mit
dem Kode L1, sofern im Mittel mehr als ml und weniger als m2 Fehler pro Datenblock
auftreten.
Der resultierende Informationsfluß des Datenübertragungssystems
wird also erhöht. Das Erkennen von (m2+n2) > (ml +n) Fehlern führt zu einer höheren
Übertragungssicherheit, da nun bei mehr als (ml +nl) Fehlern diese noch erkannt
werden, während dies beim Kode L1 nicht mehr der Fall wäre.
-
Das Zurückschalten vom Kode L2 auf den Kode L1 geschieht nach Empfang
wenigstens zweier aufeinanderfolgender Blöcke mit weniger als m2 Fehlern.
-
Die Festlegung der Kodeumschaltkriterien ist im vorhergehenden zur
Demonstration rein willkürlich getroffen, Sie hängt im höchsten Grade von den Fehlercharakteristiken
der benutzten Kanäle ab. Langzeitstörungen wie Bursts sind durch das angegebene
System nicht ausschaltbar, wohl aber ein zeitliches Schwanken der Dichte statistisch
unabhängiger Fehler. Ein Gewinn bringt die Kodeumschaltung jedoch nur dann, wenn
bei der Verwendung des einen wie des anderen Kodes die gleiche Sendetaktfrequenz
verwendet wird. Würde z. B. bei Verwendung des höher redundanten Kodes L2, bei dem
also jeder Block länger ist als beim Kode L1, die gleiche Aussendezeit pro Block
vorausgesetzt, so brächte die zur Übertragung notwendig höhere Bandbreite eine wesentlich
höhere Störempfindlichkeit mit sich, was einer Verschlechterung der Übertragungsgüte
gleich käme.
-
Das System wird bezüglich der Fehlerkorrektur und Fehlererkennung
noch wesentlich wirksamer, wenn auch der Stördetektor 23 die Kodeumschaltung veranlassen
kann. Dazu ist vorgesehen, daß die Amplitudenüberschreitungen (Maximaldetektierung)
und Amplitudenunterschreitung (Nulldetektierung) angebenden Signale des Detektors
23 über die Empfangszeit von wenigstens zwei Blöcken in der Empfängersteuerung aufintegriert
werden und bei überschreiten einer vorgegebenen Schwelle die Kodeumschaltung vom
Kode L1 auf den Kode L2 vorgenommen wird. Der Übergang vom Kode L2 auf den Kode
L1 wird entsprechend dann vorgenommen, wenn über die Zeit von wenigstens zwei Blöcken
die vorgegebene Schwelle nicht überschritten wird.
-
Da in der Datenübertragung im allgemeinen Leitungen des öffentlichen
Fernsprech- und Fernschreibnetzes benutzt werden, ist mit von Übertragung zu Übertragung
unterschiedlichen Fehlercharakteristiken zu rechnen. Stellt der Stördetektor 23
z. B. einen völlig störfreien Kanal 31 fest, so veranlaßt er durch das Nichtüberschreiten
einer weiteren Schwelle in der Empfängersteuerung das völlige Abschalten des-I odierer
11 bzw. des Dekodierers 21.. Die Übertragung läuft ungesichert, was
einen erheblichen Gewinn an pro Zeiteinheit übertragener Information (resultierender
Informationsfiuß) bedeutet. Mittel zur Abschaltung des Kodierers 11 und des Dekodierers
21 sind in der F i g. 1 nicht dargestellt.
-
Bezüglich der Kodeumschaltkriterien des Stördetektors gilt das gleiche
wie das für die durch das Dekodierwerk 23 veranlaßte Kodeumschaltung Gesagte.
-
Es ist auch möglich, den Stördetektor 23 in an sich bekannter Weise
an einen nicht beaufschlagten Kanal, der frequenzmäßig unmittelbar neben dem Kanal
31 liegt, anzuschalten. Der Stördetektor 23 kann ebenfalls auf der Sendeseite angeordnet
sein. Dies ist vor allem bei den sogenannten Echosystemen, bei denen unter Zurücksendung
aller empfangenen Daten vom Empfänger 2 zum Sender 1 sendeseitig auf übertragungsfehlerfreiheit
geprüft wird, von Vorteil. Bei Datenübertragungssystemen, wie dem in Verbindung
mit der F i g. 1 beschriebenen, ist das Verfahren der Kodeumschaltung sinngemäß
auch auf den Rückkanal 32 anwendbar: Stellt ein an den Rückkanal 32 angeschalteter
Stördetektor die Überschreitung einer vorgegebenen Störhäufigkeit fest, so werden
die Meldungen vom Empfänger zum Sender zwecks sicherer Erkennung mit mehr Redundanz
versehen. Diese Maßnahme ist von größter Bedeutung, da die Sicherheit eines Datenübertragungssystems
mit empfangsseitiger Prüfung im höchsten Grade von der Sicherheit der Übertragung
auf dem Rückkanal abhängt.
-
Im vorhergehenden wurde die Umschaltung des. Dekodierers 21 auf Grund
von dem Sender 1 ausgesendeten Sonderzeichen beschrieben. Sofern jedoch die Datenblöcke
z. B. mit besonderen Start- oder Stopzeichen versehen oder durch Synchronisationszeichen
voneinander getrennt sind, wird zweckmäßigerweise anders verfahren. Da hier jeder
Block in seiner Länge eindeutig erkennbar ist, genügt es, die Blöcke nach dem Demodulator
22 in ein Schieberegister zu leiten und die jeweilige Blocklänge durch Abzählen
der Bits zwischen zwei Marken (Startschritt, Stoppschritt, Synchronisationszeichen)
festzustellen. Die Umschaltung des Dekodierers 21 auf den Kode des jeweils empfangenen
Blockes geschieht dann in Abhängigkeit von der festgestellten Blocklänge. Dies ist
möglich, da zu jeder Blocklänge ein bestimmter Kode gehört.
-
In vielen Fällen ist es auch zweckmäßig, im Falle der notwendigen
Kodeumschaltung dem. Sender kein Sonderzeichen durch den Empfänger zuzuleiten, sondern
die ohnehin erforderlichen Wiederholungssignale auszunutzen. Die Anordnung kann
dann so getroffen werden, daß bei Empfang des ersten, zweiten oder dritten Wiederholzeichens
eines Blockes die Kodeumschaltung im Sender und die Vorbereitung zur Kodeumschaltung
im Empfänger eingeleitet wird. Besonders günstig ist es in diesem Fall, grundsätzlich
alle Wiederholungen in einem Kode erhöhter Redundanz durchzuführen. Das letztlich
gewählte Kodeumschaltkriterium hängt jedoch wieder von den Eigenschaften des jeweiligen
Kanals ab.
-
In F i g. 2 ist ein einfaches, umschaltbares Kodierwerk dargestellt.
Dies besteht aus zwei hintereinandergeschalteten Schieberegistern 4 und 5. Das Schieberegister
4 bildet mit einer Rückkopplungslogik 6 ein Kodierwerk für einen Kode L1 niedrigerer
Redundanz. Die Schieberegister 4 und 5 bilden zusammen mit einer ihnen gemeinsamen
Rückkopplungslogik 7 ein Kodierwerk für einen Kode L2 höherer Redundanz. Die zu
kodierende Information läuft von links in das Schieberegister 4 über jeweils eine
der beiden Rückkopplungslogiken 6, 7 ein. Wird zur Kodierung der Kode L1 verwendet,
so führt der Ausgang des Schieberegisters 4 über die Stellung 1 eines Schalters
81 an die Rückkopplungslogik 6. Diese ist über einen Vielfachschalter 6 a an das
Schieberegister 4 angeschaltet. Nach Einlauf der Informationsbits eines Blockes
wird der die jeweilige Prüfinformation des Blockes darstellende Inhalt des Schieberegisters
4 über die Stellung 2 des Schalters 81 und die Stellung 1 des Schalters 82 an die
Ausgangsleitung 9 abgegeben.
-
Wird hingegen der Kode L2 verwendet, so schaltet ein Vielfachschalter
7 a die Schieberegister 4 und 5 an die Rückkopplungslogik 7 an. Die Rückkopplungslogik
6
ist durch den Vielfachschalter 6 a abgeschaltet. Der Ausgang des Schieberegisters
5 ist über den Schalter 83 an die Rückkopplungslogik 7 angeschaltet. Während des
Einlaufs von Informationsbits in den Kodierer steht der Schalter 82 in der Stellung
2. Nach Einlauf aller Bits eines Blockes wird der Inhalt der Schieberegister 4 und
5 bei geöffnetem Schalter 83 über die Stellung 3 des Schalters 82 auf die Ausgangsleitung
9 abgegeben. Kodierer mit Rückkopplungslogik, insbesondere solche für zyklische
Kodes sind z. B. beschrieben in »Electronic Engineering«, April 1964, S.253. An
Stelle eines umschaltbaren Kodierers (Dekodierers) können auch zwei getrennte Kodierer
(Dekodierer) verwendet werden.