DE1591810A1

DE1591810A1 - Nachrichtenuebertragungssystem mit differentieller Phasenmodulation

Info

Publication number: DE1591810A1
Application number: DE19671591810
Authority: DE
Inventors: Warters William Dennis
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1966-07-29
Filing date: 1967-06-28
Publication date: 1969-12-18
Also published as: US3492576A; AU2338567A; GB1193475A; NL6710479A; SE338350B; AU423339B2; DE1591810B2; BE700791A

Description

Western Electric Company Incorporated W. D. Warters 3

New York, N,Y. 10007 U.S.A.

Nachrichtenübertragungssysteme mit differenzieller Phasenmodulation

Die Erfindung betrifft ein Nachrichtenübertragungssystem mit differenzieller Phasenmodulation, bei dem frequenzmodulierte Wechselstromsignale verwendet werden, die aufeinanderfolgende Zeitelemente einnehmen, wobei die übertragene Information zu Änderungen des Zustande des übertragenen Signals in Beziehung steht, wie es durch Vergleichen der Signale in zwei benachbarten Zeitintervallen beobachtet wird.

Die Übertragung einer kodierten Information wird durch die aufeinanderfolgende Übertragung eines von mehreren möglichen Signalen während regelmäßig angeordneter Zeitintervalle durchgeführt. In einem binären System ist einer von zwei kodierten Zuständen, der eine "Eins" oder ein "Zeichen" genannt wird, durch eins von zwei möglichen Signalen identifiziert, während der zweite kodierte Zustand, der eine "Null" oder ein "Zwischenraum" genannt wird, durch das andere der beiden Signale identifiziert wird. In einem bekannten System werden die beiden binären Zustände einfach durch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Signals dargestellt. In einem anderen System wird die Frequenz des Signals benutzt, um die beiden binären Kodezustände anzuzeigen.

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Ein in gleicher Weise brauchbares Verfahren der Interpretation be-, steht darin, daß der kodierten Information Änderungen des Zustande des Signale zugeordnet werden, wie sie durch Vergleichen der Signale in zwei benachbarten Zeitintervallen beobachtet werden. Bei diesem System kann eine Änderung des Signalzustands z. B. einem "Zeichen" zugeordnet werden, während keine Änderung des Signalzustands einem "Zwischenraum" zugeordnet wird. Ein Vertreter dieser Arbeitsweise ist das sogenannte Nachrichtenübertragungssystem mit differenzieller Phasenmodulation (DPM), bei dem die Phasen der Signale in zwei benachbarten Zeitintervallen verglichen werden. Typischerweise wird bei einem derartigen System bei Verwendung bisheriger Verfahren eine differenzielle Phasenverschiebung mit Hilfe von Amplitudenmodulationsverfahren hervorgebracht. Zunächst wird das binäre Basisbandsignal mit Hilfe eines Umsetzers in ein differenzielles binäres Signal umgewandelt. Da bei einem binären DPM-System die beiden Signale vorteilhafterweise entweder in Phase oder um 180 außer Phase sind, wird das umgewandelte Signal dann benutzt, um ein Trägersignal mit konstanter Frequenz so zu modulieren, daß eine Phasenumkehr entsteht.

Bei gewissen Systemen mit differenzieller Phasenmodulation bisheriger Art war ein Umsetzer (bistabiler Multivibrator usw.) zur Umwandlung des herkömmlichen binären Signals in ein differenzielles binäres Signal in jedem Fall erforderlich, der wesentliche Probleme in Bezug auf

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Kompliziertheit und Aufwand ergab.

Diese Probleme wurden erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Senders gelöst, der die gesendete Energie in eine zeitliche Folge von frequenzmodulierten Wechseletromsignalen kodiert, welche aufeinanderfolgende Zeitelemente einnehmen und welche von einer Bezugs trägerfrequenz nach oben und unten abweichen, wobei ein Empfänger vorgesehen ist, um die relative Phasenverschiebung, die durch die Frequenzmodulation zwischen Impulspaaren in benachbarten Zeitelementen hervorgebracht wird, zu vergleichen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema eines Ausführungsbeispiels eines Frei quenzmodulators für ein FM-DPM-System;

Fig. 2 einen differenziellen Phasendetektorj

Fig. 3 die Verwendung eines Frequenzdiskriminators und eines Gleichrichters zur Wiedergewinnung der Zeitinformation;

Fig. 4 zum Zweck der Erläuterung eine typische Frequenzdiskriminatorkennlinie.

Zur Erläuterung wird nachfolgend ein binäres System beschrieben. Dem Fachmann ist offensichtlich, daß ein erfindungsgemäßes System auch auf kodierte Basisband.iign.ale mit mehreren Pegeln ausgedehnt v/erden kann.

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Die vorliegende Erfindung ergibt wesentliche Vorteile bei der Ausführung und Arbeitsweise von Nachrichtenübertragungssystemen mit differenzieller Phasenmodulation durch die Verwendung von Frequenzmodulationsverfahren zur Erzeugung des Signals mit differenzieller Phasenmodulation (FM-DPM). So wird erfindungsgemäß zunächst die Information im Basisband so behandelt, daß sie in der Wahl der Impulspolarität enthalten ist, dann wird sie verwendet, um zu bewirken, daß die Frequenz eines Signaloszillators von seiner normalen nichtmodulierten Frequenz nach oben und unten abweicht. Die entstehende Phasenverschiebung kann dadurch berechnet werden, daß die Frequenzabweichung über jedes der Zeitintervalle integriert wird. Da in einem binären System eine optimale Störfestigkeit erzielt wird, wenn die beiden möglichen Signalzustände in gegensätzlicher Beziehung zueinander stehen, d. h, wenn die beiden möglichen Werte der Phasenver-Schiebung um 180 verschieden sind, wird ein Modulator für ein binäres System vorteilhafterweise so eingerichtet, daß

27Γ Γ (f - f ) dt + 2ir J "(f - f ) dt « 1Γ Δ* ° Δ* ° "

wobei ^t die Dauer jedes Zeitintervalls ist,

f die Oszillatorfrequenz mit unmoduliertem Signal, f die Augenblicksfrequenz des Signaloszillators, wenn sie durch das binäre Basisbandsxgnal über die unmodulierte Frequenz ansteigt und f die Augenblicksfrequenz des Signaloszillators, wenn

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sie durch das binäre Basisbandsignal unter die unmodulierte Frequenz abfällt.

Ein FM-DPM-System entsprechend der Erfindung hat Vorteile in
Bezug auf den Wirkungsgrad und die Einfachheit. Zum Beispiel wird die Umwandlung von einem polaren binären Basisbandsignal in ein
Trägersignal mit differenzieller Phasenmodulation unmittelbar durch Frequenzmodulation eines spannungsgesteuerten Oszillators durchgeführt. Wegen der differenziellen Beziehung zwischen der Frequenz und der Phase ist im Gegensatz zu der bisherigen Technik kein bistabiler Multivibrator oder ein anderer Umsetzer binär-differenziell
erforderlich. Ferner ist die Linearität der Frequenz-Spannungskennlinie des frequenzmodulierten Oszillators unwichtig, da die erforderliche Phasenverschiebung einfach durch Einstellen der Amplitude des dem FM-Oszillator zugeführten Basisbandsignal erzeugt wird. Schließlich erlaubt die FM-Natur des Signals die Verwendung von phasenstarren Oszillatoren für die Verstärkung und die Begrenzung.

Im Empfänger kann die Demodulation in einem normalen differenziell kohärenten Phasendetektor mit seinem bekannten nahezu optimalen
Signal-zu-Rausch-Verhältnis durchgeführt werden. Weiterhin erhält
man die Zeitinformation unabhängig von der Signalstatistik mit Hilfe
eines FM-Diskriminators, dem ein Vollweggleichrichter folgt, da das Signal in jedem Zeitelement frequenzmoduliert ist.

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Fig. 1 zeigt als Blockschema einen Trequenzmodulator zur Erzeugung' eines FM Signals mit differenzieller Phasenmodulation zur Verwendung in einem Impulskodenachrichtenübertragungssystem entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Modulator besteht aus einem spannunge ge steuerten Oszillator 10, z.B. einem Tunneldiodenoszillator, dessen Schwingfrequenz eine Funktion der angelegten Vorspannung ist. Die unmodulierte Oszillatorfrequenz erhält man durch eine Vorspannungequelle 11. Die Frequenzmodulation wird durch Impulse erzeugt, die in den Oszillator 10 so eingekoppelt werden, daß sie seine Augenblicksspannung andern. Es ist ein Dämpfungsglied 12 vorgesehen, um die Amplitude der binären Impulse einzustellen und zwar aus Gründen, die später vollständiger erklärt werden.

Zum Zwecke der Erklärung enthält Fig. 1 ferner eine graphische Darstellung eines polaren binären Eingangs signale, ferner die Vorspannungskennlinie des Oszillator« und schließlich eine Darstellung der Frequenzänderungen des entstehenden Ausgangssignals. Das Eingangssignal, das durch die Kurve 15 dargestellt ist, besteht aus einer Folge von positiven und negativen Impulsen, die gewöhnlich als polare binäre Impulse bezeichnet werden. Jeder Impuls nimmt ein Zeitelement von der Dauer A t ein. Zur Erläuterung sind vier Impulse dargestellt.

Wenn die Impulse in den Oszillator 10 eingekoppelt werden, bewirken sie, daß sich die Vorspannung und damit die Augenblicksfrequenz des

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Oszillators in einer Weise ändert, wie sie durch die Kurve 16 angegeben ist, so daß ein Ausgangssignal erzeugt wird, dessen Augenblicksfrequenz durch die Kurve 17 gegeben ist.

Bekanntlich erfährt ein frequenzabhängiges Signal f(t) eine Phasenverschiebung Δ φ relativ zu einem Bezugssignal bei der Frequenz f , die gegeben ist durch

t r m

ΔΦ « 2irJ Tf(t) - Π dt,

wobei die Integration über das Zeitintervall t bis t erfolgt. In Bezug auf den Modulator der Fig. 1 erfolgt die Integration über ein Zeitelement 2^ t. Wenn man diese Integration für den ersten Impuls durchführt, stellt man fest, daß die Phase des Aus gangs signals f zur Zeit t in Bezug auf die Phase voreilt, die das Ausgangssignal haben würde, wenn die Frequenzmodulation nicht vorhanden wäre. Ebenso hat die Frequenzmodulation des Oszillators während des Zeitintervalls t bis t_o die Tendenz, die Phase des Signals nacheilen zu lassen, so daß

das Signal zur Zeit t zum unmodulierten Signal in der Phase verzögert ist.

Da man dj.e optimale Sioi iesligkeit in einem binären DPM-System erhält, wenn die, beiden möglichen S^naJzustände in gegensätzlicher Beziehung zueinander silben, d.h. wenn die beiden möglichen Werte

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von A φ sich um 180 unterscheiden, werden die Vorspannung und die Eingangs impuls amplituden vorteilhafterweise so eingerichtet, daß sich die integrierten Frequenzabweichungen in positiver und negativer Richtung zu IT addieren. Das heißt,

ΔΦ₊ + ΔΦ_ » 1Γ

wobei Δ <P

* 2irf [f - f ] dt ,

und Δφ « 2if

'J O₀ - f.] dt .

Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die gesamte differenzielle Phasenverschiebung T entweder dadurch erzielt werden kann, daß die Impuls amplituden so eingerichtet werden,

Tf ir

daß Δ φ * — und Δ. φ ^M "r sind, oder daß irgendeine, andere, ungleiche Aufteilung der gesamten Phasenverschiebung zwischen den beiden Impulspolaritäten gewählt wird. Im allgemeinen kann die gesamte Phasenverschiebung so aufgeteilt werden, daß entweder

₊< I und Δφ_ >| ,
oder Δ<ρ₊ > ^ und A<f_ < | ,

wobei Δφ₊ + Δ φ « Ή" in beiden Fällen.

Diese Freiheit der Wahl zeigt einen zweiten Vorteil der vorliegenden

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Erfindung. Gewöhnlich besteht die Forderung, daß die Frequenzkennlinie eines FM Modulators linear mit der Spannung verläuft. Bei einem . FM-DPM System ist jedoch nur die Fläche unter der Frequenzzeitkurve wichtig. Damit braucht die Modulatorkennlinie nicht linear oder sogar eine stetige Funktion der Spannung zu sein. Vorzugsweise ist die
Modulatorkennlinie jedoch monoton, d.h. die Neigung ändert nicht ihr Vorzeichen mit der Frequenz, so daß die gewünschte Phasenverschiebung einfach durch Einrichten der Amplituden der binären Impulse
erzielt werden kann.

Die Fig. 1 erläutert ferner die Einfachheit eines FM-DPM Systems,
bei dem ein binäres Basisbandsignal mit Hilfe eines einfachen spannungsgesteuerten Oszillators in ein Signal mit differenzieller Phasenmodulation umgewandelt wird.

Fig, 2 zeigt einen typischen differenziellen Phasendetektor, der in
einem FM-DPM System verwendet werden kann. Allgemein besteht
der Detektor aus zwei gleichen Hybriden 20 und 21, die jeweils zwei
Paare von konjugierten Zweigen aufweisen. Die zur Hybride 20 gehörigen Paare von konjugierten Zweigen sind mit 1-2 und 3-4 bezeichnet. Die zur Hybride 21 gehörigen Zweige sind mit 1^I-2^I und 3'-4^I bezeichnet.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist der Zweig 1 der Hybride

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der Eingangs zweig, dem das empfangene Signal zugeführt wird. Der Zweig 2 ist mit einem Ohm¹ sehe η Widerstand abgeschlossen. Die Zweige 3 und 4 der Hybride 20 sind mit Hilfe der Signalwege 22 und 23 mit den Zweigen 3» und 4* der Hybride 21 verbunden. Einer der Signalwege 22 enthält ein Verzögerungsnetzwerk 24 und zwar aus Gründen, die später eingehender erklärt werden.

Die übrigen Zweige I¹ und 2¹ der Hybride 21 sind jeweils mit einer Elektrode der entgegengesetzt gepolten Dioden 25 und 26 verbunden, die in Fig. 2 mit " - Detektor" und " + Detektor" bezeichnet sind. Die andere Elektrode jeder Diode ist mit einem Widerstandsnetzwerk 29 verbunden« dem das Ausgangssignal entnommen wird.

Di· Funktion des Detektors besteht darin, die relative Phase der Signale in benachbarten Zeitelementen zu vergleichen. Ein Vergleich der zeigt, daß keine relative Phasenverschiebung vorhanden war, bedeutet einen der beiden möglichen binären Zustände, während eine angezeigte Phasenverschiebung von 180 den anderen binären Zustand bedeutet. Wie oben festgestellt wurde, ist die differenzielle Phasenverschiebung zwischen den Abtastperioden im allgemeinsten Fall entweder + θ Grad oder - (180 - Θ) Grad für die beiden binären Zustände. (In dem speziellen Fall, daß Δφ, » Δφ ist, ist θ * + ·=· ), Dementsprechend sind Mittel vorgesehen, um das Signal um ein Zeitelement zu verzögern und um ferner eine zusätzliche Phasenverzögerung von θ Grad zu

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erzeugen, um die Phasenbeziehung von ¹¹O¹¹ oder 180 an den Zweigen 3¹ und 4¹ der Hybride 21 hervorzubringen. Dies geschieht in der Detektorschaltung der Fig. 2 durch Einfügen des Verzögerungsnetzwerks 24 in den Signalweg 22. Somit wird im Betrieb ein Impuls im n-ten Zeitelement, der an der Hybride 20 ankommt, in zwei gleiche Komponenten geteilt. Die eine Komponente wird auf dem Weg 23, die andere auf dem Weg 22 fortgepflanzt. Ebenso wird ein Impuls im η + 1-ten Zeitelement, der an der Hybride 20 ankommt, in zwei Komponenten geteilt, von denen die eine auf dem Weg 23 fortgepflanzt wird. Wegen der, in den Weg 22 eingefügten Verzögerung kommt die Komponente des η + 1-ten Impulses im Weg 23 am Zweig 4¹ der Hybride 21 zur gleichen Zeit an, wie die verzögerte Komponente des vorherigen Impulses am Zweig 3¹ der Hybride 21. Wenn diese beiden Signalkomponenten von benachbarten Zeitelementen in Phase sind, vereinigen sie sich im Zweig 2¹ und bewirken, daß ein Strom durch die Diode und das Widerstandsnetzwerk 29 in solcher Richtung fließt, daß ein positiver Impuls an der Ausgangsklemme des Detektors erzeugt wird. Wenn andererseits die beiden Signalkomponenten außer Phase sind, vereinigen sie sich im Zweig I¹ und bewirken, daß ein Strom durch die Diode 25 und das Widerstandsnetzwerk 29 in der entgegengesetzten Richtung fließt, so daß ein negativer Ausgangsimpuls erzeugt wird. Auf diese Weise wird das ursprüngliche, polare, binäre Basisbandsignal wiedergewonnen.

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Wie oben festgestellt wurde, besteht einer der Vorteile der differenziellen Phasen-FM- Modulation in der Fähigkeit, die Zeitinformation unmittelbar und einfach aus dem empfangenen Signal zu gewinnen. Dies ist in Fig. 3 dargestellt, die eine Zeitwiedergewinnungs-Schaltung zeigt, bei der ein Frequenz diskriminator 30 verwendet wird, wie er von F. E. Terman auf Seite 606 und 607 seines Buches "Electronic and Radio Engineering", 4. Ausgabe, beschrieben ist, dem ein Vollweggleichrichter 31 folgt. Die zur Erläuterung eingefügte Figur 4 zeigt eine typische Frequenz-Ausgangsspannungsdiskriminatorkennlinie 32.

Im Betrieb wird ein Teil des empfangenen Signals in den Diskriminator eingekoppelt, der die Frequenzabweichungen +Af von der Bezugsträgerfrequenz f (oder von einer mittleren Trägerfrequenz/ f.. C f₀ ) feststellt und diese in Spannungsänderungen 33 umwandelt. Da die Spannungsänderungen sowohl positiv als auch negativ sein können, folgt dem Diskriminator 30' ein Vollweggleichrichter 3I₄ um das polare Ausgangssignal des Diskriminators in ein unipolares Signal umzuwandeln. Das letztere wird seinerseits in Zeitverbrauchsschaltungen derart eingekoppelt, wie sie gewöhnlich zu PCM Empfängern und Verstärkern gehören.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß wenn die Frequenzabweichungen von f ungleich sind, die Ausgangsimpulse infolge einer nichtlinearen Modu-

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latorkennlinie ebenfalls ungleich sind. Eine Kompensation kann erfolgen, indem der Diskriminator so abgestimmt wird, daß f nicht mehr in den Kreuzungspunkt fällt. Ein anderes Kompensationsverfahren besteht darin, daß die Amplituden der positiven und negativen Modulationsimpulse, die zur Modulation des spannungsgesteuerten Oszillators benutzt werden, getrennt eingestellt werden.

Wie oben angegeben wurde, kann das Prinzip der Erfindung auf die Kodierung von Basisbandsignalen mit mehreren Pegeln ausgedehnt werden. Bei einem derartigen System bewirkt jede Basisbandsignalamplitude eine spezielle Frequenzabweichung des Modulators, die in eine entsprechende Phasenverschiebung umgesetzt werden kann. Eine Diskussion von DPM Systemen höherer Ordnung findet sich in "Data Transmission" von W. R. Bennett und J. R. Davey, Mcgraw-Hill Book Company, Kapitel 10.

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Claims

Patentansprüche

1. Nachrichtenübertragungssystem mit differenzieller Phasenmodulation, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sender (10, 11 und 12) die gesendete Wellenenergie in eine Zeitfolge von frequenzmodulierten Stromsignalen kodiert, die aufeinanderfolgende Zeitelemente einnehmen und die nach oben und unten von -einer Bezugsträgerfrequenz abweichen, und daß ein Empfänger (20, 21, 24, 25 und 26) vorgesehen ist, um die relative Phasenverschiebung zu vergleichen, die durch die Frequenzmodulation zwischen Impulspaaren in benachbarten Zeitelementen hervorgebracht wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß.die Phasenverschiebung, die durch die Frequenzabweichungen von der Bezugsfrequenz nach oben und unten hervorgebracht wird, gleich 0 Grad und (180 - Q) Grad ist.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzdiskriminator (30) und ein Vollweggleichrichter (31) auf die frequenzmodulierten Impulse ansprechen, um den modulierten Signalen die Zeitinformation zu entnehmen.

4. Verfahren zum Senden und zum Empfangen von Signalen mit differenzieller Phasenmodulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß die ursprüngliche zu sendende Signalinformation in eine Zeitfolge von frequenzmodulierten Wechselstromsignalen frequenzmoduliert
wird, die aufeinanderfolgende Zeitelemente einnehmen und dann
die relative Phasenverschiebung, die durch die Frequenzmodulation
zwischen Impulspaaren in benachbarten Zeitelementen hervorgebracht wird, verglichen wird, um die ursprünglich gesendete Signalinformation wiederzugewinnen.

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