DE19535075A1 - Digitalmodulation - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein digitales Modulationsverfahren
und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des
Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 8.
Der Wunsch der Rundfunkhörer nach besserer Übertra
gungsqualität wurde in der Vergangenheit durch die Ein
führung der Frequenzmodulation im VHF-Bereich und der
beabsichtigten Einführung des digitalen Rundfunks (DAB)
im VHF-Bereich und L-Band Rechnung getragen. Das
DAB-Verfahren ist in "Final Draft prETS300401" als
European Telecommunication Standard beschrieben. Dieses
Verfahren zeichnet sich als ein Mehrträgerverfahren aus.
Bei diesem Verfahren werden eine Vielzahl von Unter
trägern entsprechend dem digitalisierten Eingangssignal
in ihren Phasen moduliert und gemeinsam ausgesendet.
Besonders störsicher und damit für die Übertragung von
digitalisierten Signalen geeignet wird dieses Verfah
ren, wenn eine relativ große Bandbreite verwendet wird.
Um gleichzeitig eine gute Ausnutzung der Frequenzbe
reiche zu erreichen, werden bei diesem Verfahren mehrere
Programme zusammengeführt und im Frequenzmultiplexver
fahren über einen gemeinsamen Sender abgestrahlt.
Die Rundfunkprogramme in den Frequenzbereichen Lang-,
Mittel- und Kurzwelle (AM-Bänder) werden bislang mit
Amplitudenmodulation und der damit verbundenen geringen
Qualität des Nachrichtenkanals übertragen, wodurch
diese Frequenzbereiche an Akzeptanz verloren haben.
Eine Digitalisierung der genannten Frequenzbereiche
wird eine Erhöhung der Übertragungsqualität ergeben
und die Vorteile der für diese Frequenzen gültigen
charakteristischen Ausbreitungsmerkmale erhalten. Es
ist zu erwarten, daß es mit Sendern höherer Leistung
(10 bis 100 kW) und digitalisierter Übertragung mög
lich sein wird, größere Teile eines Kontinents mittels
eines Lang-, Mittel- oder Kurzwellensenders mit einem
Signal hoher Qualität zu versorgen. Das bekannte
DAB-Verfahren eignet sich für den relativ kleinen
Frequenzbereich der AM-Bänder nicht, da die Bandbreite,
die bei DAB verwendet wird, in diesen Bändern nicht zur
Verfügung steht, da die AM-Sender nur mit einer
Bandbreite von 9 kHz bis 20 kHz betrieben werden. Die
Einhaltung dieser Bandbreiten wird auch deshalb von
Sendern mit digitalisierten Programmen, gefordert, um
die Nachbarkanalstörungen zu noch vorhandenen analogen
AM-Sendern klein zu halten.
Neben der beschriebenen großen Bandbreite, die für die
Übertragung mit einem Mehrträgerverfahren notwendig ist,
wirken sich die besonders hohen Aussteuerungsspitzen bei
einem Mehrträgerverfahren negativ aus, da ein Sender für
diese Modulation derart auszulegen ist, daß die Spitzen
leistung des Signals noch übertragen werden kann.
Wegen der genannten hohen Ausgangsleistung der
betrachteten Sender (10 bis 100 kW) erscheint es unbe
dingt notwendig zu sein, auf den Wirkungsgrad des Senders
Wert zu legen.
Aus der Literatur (L.Kahn, Single-Sideband Transmission
by Envelope Elimination and Restoration, Proceedings of
the I.R.E, 1952, 5.803 ff) ist ein Hochfrequenzverstärker
bekannt, der mit hohem Wirkungsgrad betrieben wird. In
der angegebenen Literaturstelle ist ein Sender beschrie
ben, der sich durch die getrennte Ansteuerung der
Leistungsendstufe mit Betrag- und Phasensignal auszeich
net. Hierbei wird aus dem eingangsseitigen Einseiten
bandsignal durch Hüllkurvengleichrichtung das Hüllkur
vensignal und durch Begrenzung der Amplitude des Ein
gangssignales ein Signal abgeleitet, das die Phasen
information enthält aber in der Amplitude begrenzt ist.
Die begrenzte hochfrequente Schwingung und das Hüllkur
vensignal werden der im überspannten C-Betrieb arbeiten
den Endstufe zugeführt, wodurch eine Verstärkung eines
Einseitenbandsignales mit hohem Wirkungsgrad erzielt
wird.
In der EP-0193655 ist ein Rundfunksender mit hoher Lei
stung und mit hohem Wirkungsgrad beschrieben, der geeig
net ist, ein Einseitenbandsignal abzustrahlen. Bei
diesem Sender wird das analoge niederfrequente Modulat
ionssignal abgetastet, digitalisiert und mittels Signal
prozessortechnik in ein komplexes Signal, bestehend aus
Real- und Imaginärteil, umgewandelt. Diese Umwandlung
erfolgt mittels eines Hilberttransformators entsprechend
der aus der Literatur bekannten Phasenmethode.
Anschließend wird aus diesen Komponenten der Betrag und
die Phase des Signales ermittelt. Wie in der oben ange
gebenen Schaltung werden dann das Gitter der Endstufen
röhre mit dem phasenmodulierten hochfrequenten Träger
angesteuert und die Anode mit dem Betragssignal, das
dem Hüllkurvensignal entspricht, angesteuert. In den
genannten Fällen wird ein analoges Signal mit hohem
Wirkungsgrad übertragen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sendeverfahren zu
schaffen, das mit geringer Bandbreite und bei Vorgabe
eines maximalen Amplitudenhubes eine möglichst
störungsfreie Übertragung erzielt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den
Patentansprüchen 1 und 8 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise die
Erzielung einer geringen Bandbreite bei der digitalen
Übertragung von Signalen und ermöglicht damit digitalen
Rundfunk auf Lang-, Mittel- und Kurzwelle. Anspruch 2
zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung
hinsichtlich der Kompensation von Übertragungsstörungen.
In Anspruch 6 ist eine Ausgestaltung der Erfindung
aufgezeigt mit der vorteilhaft die Verwendung von
Schaltverstärkern unterstützt wird. Anspruch 7 zeigt den
Einsatz der Erfindung im Zusammenhang mit einem Verstär
kungsverfahren, das sehr hohe Wirkungsgrade aufweist.
Die Erfindung wird anhand der Bilder Fig. 1 bis Fig. 6
erläutert.
Fig. 1 zeigt die Symbolkonstellation einer 64-QAM Modula
tion,
Fig. 2 zeigt die Symbolkonstellation einer 32-APSK-
Modulation in nicht kompakter Form,
Fig. 3 zeigt die Symbolkonstellation einer 32-APSK-
Modulation in kompakter Form,
Fig. 4 zeigt die Symbolkonstellation einer 64-APSK-
Modulation mit einem Symbol im Nullpunkt,
Fig. 5 zeigt die Symbolkonstellation einer 64-APSK-
Modulation, die kein Symbol im Nullpunkt aufweist,
Fig. 6 zeigt die Rahmenstruktur der bevorzugten Modulati
on,
Fig. 7 zeigt das Blockschaltbild einer Aufbereitungs
schaltung zur Ansteuerung für einen Sender, der in
Hüllkurve und Betrag getrennt ansteuerbar ist,
Fig. 8 zeigt das Blockschaltbild eines derartigen Senders
mit einer röhrenbestückten Endstufe und
Fig. 9 zeigt das Blockschaltbild eines derartigen Senders
mit einer transistorisierten Endstufe.
Die häufig verwendete Modulationsart 64-QAM ist mit
ihrem Symbolalphabet, bestehend aus 64 Symbolen, in
Fig. 1 dargestellt. Es ist bekannt, daß sich mit
zunehmender Stufenzahl der verwendeten Modulation die
für die Übertragung des Signales notwendige Bandbreite
reduziert. Gleichzeitig nimmt mit der Anzahl der Symbole
bei vorgegebener maximalen Amplitude der Signalabstand
zwischen den Symbolen ab, wodurch die Störanfälligkeit
der Übertragung wieder zunimmt. Für die Übertragung im
genannten Lang- bis Kurzwellenbereich erscheint eine
64- oder 32-stufige Modulation ein vertretbarer Kompromiß
zwischen der Störanfälligkeit und der notwendigen Band
breite zu sein.
Um eine möglichst wirtschaftliche Ausnutzung des
Senders zu gewährleisten, ist es notwendig, den Amplitu
denbedarf der Modulation möglichst gering zu halten.
Dem Konstellationsdiagramm in Fig. 1 kann entnommen
werden, daß der maximale Betrag der Symbole nur bei den
vier Ecksymbolen der insgesamt 64 Symbole auftritt.
Das heißt, daß der verfügbare Amplitudenhub des Senders
relativ schlecht ausgenutzt wird.
Fig. 4 zeigt die Konstellation einer 64-wertigen Modu
lation (64-APSK), deren Symbole im Inneren eines
Kreises liegen. Im Vergleich zu dem in Fig. 1 dargestel
lten Symbolalphabet wird bei dieser Konstellation der
maximale Amplitudenwert anstelle von 4 Ecksymbolen von
24 Symbolen verwendet. Dadurch wird eine gegenüber dem in
Fig. 1 dargestellten Modulationsalphabet der 64-QAM
verbesserte Ausnutzung des Amplitudenhubes deutlich.
In Fig. 2 ist eine Konstellationsebene einer 32-wertigen
Modulation dargestellt, deren Symbole sich im Innern
eines Kreises befinden. Eine kompakte Ausführungsform,
deren Symbole den Innenraum der Kreisfläche besser aus
nutzen, ist in Fig. 3 dargestellt. Der Vergleich zeigt,
daß allein durch eine kompaktere Anordnung neben der
kreisförmigen Anordnung eine weitere Verbesserung der
Ausnutzung des Amplitudenhubes erreicht wird. Allgemein
kann gesagt werden, daß bei Vorgabe eines Symbolabstandes
die kreisförmige Umgrenzung der Konstellation eine opti
male Ausnutzung der zur Verfügung stehenden maximalen
Amplitude gewährleistet.
In Fig. 5 wird eine leicht abgewandelte Konstellation
einer 64-wertigen Modulation gezeigt, die sich dadurch
auszeichnet, daß der Nullpunkt kein Symbol enthält.
Insbesondere für Sender, die eine Verzerrung bei sehr
kleinen Amplituden aufweisen, ist diese Konstellation
für die Übertragung geeignet, da der verzerrungsreiche
Bereich in der Übertragung ausgespart wird.
Durch diese in den Fig. 2 bis Fig. 5 ringförmigen Symbol
konstellationen wird eine gegenüber anderen Konstellat
ionen verbesserte Ausnutzung des Amplitudenbereiches
erzielt.
Da bei der Übertragung der Signale vom Sender zum
Empfänger mit Störungen zu rechnen ist, wird die Aus
sendung der Daten in einer Rahmenstruktur vorgenommen.
In Fig. 6 ist ein beispielhafter Rahmen dargestellt. Zu
Beginn eines jeden Rahmen wird eine Präambel und eine
Testfolge ausgesendet. Die Präambel enthält Informationen
unabhängig vom Programminhalt (z. B. Senderkennung,
Programmart, Personenruf, Uhrzeit). Die Testfolge ist mit
vordefinierten Symbolen ausgebildet, die zur Adaptierung
des Empfängers verwendet werden. Werden diese vordefi
nierten Testsymbole im Empfänger verzerrt empfangen, so
ist es möglich, da das unverzerrte Symbol als bekannt
vorausgesetzt wird, den Übertragungskanal im Empfänger
mathematisch zu modellieren und die danach eintreffenden
gleichartig verzerrten Symbole mit dem zuvor gewonnenen
Kanalmodell in den unverzerrten Zustand zurückzurechnen.
Um eine ausreichend genaue Modellierung des Kanals zu
erreichen, sollte die Testfolge mindestens die doppelte
Kanalstoßantwortlänge aufweisen. Für den Bereich der
Mittelwelle wird mit einer Kanalstoßantwortlänge von
2 ms gerechnet.
Für die Testfolge werden relativ einfache Symbole
vorgeschlagen, die Bestandteil einer Untermenge des
vorgesehenen Symbolalphabets sind. In Fig. 5 ist eine
solche Untermenge durch Kreuze in den ausgewählten Sym
bolpunkten dargestellt. Als Beispiel sind 2 Punkte, die
im Kreis gegenüberliegen, gewählt. Diese Auswahl der
Punkte entspricht der Symbolkonstellation einer Zweipha
senumtastung(2-PSK). Werden anstelle der zwei auf einem
Kreis gegenüberliegende Punkte vier um 90 Grad versetzte
Kreispunkte gewählt, so entspricht diese Untermenge der
4-PSK-Modulation.
Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Modulationsverfahrens. Das digitale
Eingangssignal 2 der in Fig. 7 dargestellten digitalen
Aufbereitungsschaltung 1 wird in dem Symbolwandler 3
in ein komplexes Signal, das in Form von Real-und
Imaginärteil dargestellt wird, gewandelt. Hierbei wählt
jedes Dateneingangswort aus einem vordefinierten Symbol
alphabet ein komplexes Symbol aus. Eine Bandbegrenzung
des Real- und des Imaginärteiles erfolgt durch die Filter
4 und 5. Aus den so berechneten Komponenten wird in dem
Betragsbildner 6 der Betrag des komplexen Signals ermit
telt, der einerseits den Hüllkurvenverstärker 20 in den
Figuren Fig. 2 und Fig. 3 ansteuert und andererseits die
Komponenten der bandbegrenzten Signale in den Dividierern
7 und 8 normiert. Diese so berechneten normierten Kompo
nenten werden den Verzögerern 10 und 11 zugeführt, um die
Signallaufzeiten, von denen die im niederfrequenten Hüll
kurvenzweig, bestehend aus Hüllkurvenverstärker 20 mit
Filter 22, im allgemeinen größer ist als im hochfre
quenten Phasenzweig, bestehend aus Treiberstufe 21, ein
ander anzupassen.
Die verzögerten, normierten Signale werden den Träger-
bzw. Zwischenfrequenzmodulatoren 12 und 13 an ihren Modu
lationssignaleingängen zugeführt. Diese Modulatoren
werden an ihren Trägersignaleingängen mit den um 90 Grad
zueinander verschobenen Komponenten der Träger- bzw.
Zwischenfrequenzschwingung angesteuert und geben die
modulierten Ausgangssignale an die Additionsschaltung
15. Im Fall der Benutzung einer Zwischenfrequenz wird
der Additionsstufe 15 der Frequenzumsetzer 16 nachge
schaltet, der die Zwischenfrequenz auf die eigentliche
Trägerfrequenz umsetzt.
Für die Funktion der Schaltung ist es prinzipiell
gleichbedeutend, ob die Modulatoren 12 und 13, die
Phasenaufteilung 14 und die Additionsschaltung 15 in
Form von analogen Schaltungen arbeiten oder die not
wendigen Operationen in digitalisierter Form durchge
führt werden. Bei Verwendung von analogen Modulatoren
sind die Verzögerer 10 und 11 um die entsprechenden
Digital-Analog-Wandler zu ergänzen und bei Verwendung
in digitaler Form das Ausgangssignal 19 zusätzlich digi
tal-analog zu wandeln.
Fig. 8 und Fig. 9 zeigen geeignete Verstärkeranordnungen,
die mit der vorangehend beschriebenen Aufbereitungs
schaltung zusammenschaltbar sind.
Das in der Aufbereitungsschaltung gewonnene phasenmodu
lierte und normierte Trägerfrequenzsignal wird zur wei
teren Verstärkung der Hochfrequenztreiberstufe 21 zuge
führt, die eine für die Endstufe 23 oder 30 ausreichende
Ansteuerspannung zur Verfügung stellt.
Das Betragssignal 7 wird mittels des Hüllkurvenverstär
kers 20, der vorzugsweise als Schaltverstärker mit hohem
Wirkungsgrad arbeitet, verstärkt. Als Schaltverstärker
eignen sich Verstärker, die nach dem Prinzip des Tief
setzstellers (pulsdauermodulierender Verstärker) oder
nach dem Pulsstufenverstärkerprinzip arbeiten. Diesen
Verstärkertypen ist gemeinsam, daß sie in der Lage sind,
niederfrequente Signale inklusive deren Gleichspannungs
anteile zu übertragen.
Als Endstufe eignet sich die in Fig. 8 gezeigte Elektro
nenröhre 23, die ihre Anodenspannung aus dem niederfre
quenten Hüllkurvenverstärkerzweig bezieht, der aus dem
Verstärker 20 und dem nachgeschalteten Filter 22 besteht.
Die Röhre wird, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen,
überspannt im C-Betrieb (Stromflußwinkel kleiner 90 Grad)
betrieben. Über die Anodenspannung moduliert die Röhre 23
die am Steuergitter anliegende hochfrequente Träger
schwingung, die die Phasenmodulation enthält, in ihrer
Amplitude.
Anstelle der Elektronenröhre 23 in Fig. 8 kann alternativ
eine transistorisierte Endstufe 30 verwendet werden,
wie es in Fig. 9 gezeigt wird. Vorteilhaft ist die Ver
wendung der dargestellten Brückenschaltung, in der die
Transistoren kreuzweise im Schaltbetrieb betrieben
werden. Der verwendete Schaltbetrieb gewährleistet
einen hohen Wirkungsgrad.
Claims (8)
1. Digitales Modulationsverfahren für Rundfunksender
dadurch gekennzeichnet, daß im Frequenzbereich der
Lang-, Mittel- und Kurzwellenfrequenzen zur Modulation
ein Einträgerverfahren verwendet wird, bei dem durch
die zu übertragenden digitalen Daten nacheinander
mehrstufige Symbole aus einem vordefinierten komplex
wertigen Symbolalphabet ausgewählt werden, diese auf
der Zeitachse aufgereiht werden und daß die dadurch
entstehende mit den Symbolen gewichtete Pulsfolge
durch einen Tiefpaß auf die für den Frequenzbereich
notwendigen Bandbreite begrenzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
die zu übertragenden Symbole in Form von sich perio
disch wiederholenden Rahmen, die aus jeweils einer
Datensymbolfolge und einer diese Symbol folge ergän
zenden Testfolge bestehen, die zum Ausmessen der
Übertragungsstrecke dient, übertragen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß
die Symbole der Testfolge einer Untermenge des Sym
bolalphabets, das für die Datenübertragung verwendet
wird, angehören.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekenn
zeichnet, daß die Testfolgen periodisch zu Präambel
folgen erweitert werden, die neben den Testfolgen
noch Zusatzinformationen enthalten.
5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
die Symbole aus einem Symbolalphabet entnommen werden,
dessen Symbolkonstellation durch einen kreisförmigen
Umriß gekennzeichnet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß
der Mittelpunkt der Symbolkonstellation frei von
Symbolen ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
die Symbole in eine Amplituden- und einen Phasenin
formation aufgeteilt werden und einen Sender, der
nach Hüllkurve und Phase getrennt moduliert wird,
ansteuern.
8. Schaltungsanordnung für ein Signalübertragungsver
fahren, das ein Signal mittels einer hochfrequenten
Schwingung überträgt und eine Verstärkerschaltung mit
einer modulierenden Endstufe aufweist, die in Betrag
und Phase getrennt angesteuert ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Eingangsignal (2) digitalisiert ist,
daß dieses Signal auf einem Symbolwandler (3) gegeben
ist, in dem es mit mehrstufigen Symbolen gewichtet in
ein komplexes Signal mit Realteil (x) und Imaginärteil
(y) gewandelt ist, daß der Realteil (x) und der Imagi
närteil (y) getrennt je einem pulsformenden und
bandbegrenzenden Filter (4, 5) zugeführt sind, daß die
Ausgangssignale der Filter einem Betragsbildner (6)
zugeführt sind und parallel dazu jedes Signal getrennt
einem Dividierer (8, 9) zugeführt ist, daß das gebil
dete Betragssignal (7) einerseits zur betragsmäßigen
Ansteuerung eines Hüllkurvenverstärkers (20) verwendet
ist und andererseits zur Normierung der Ausgangs
signale der Filter (4, 5) in den Dividierern (8, 9)
dient, daß diese normierten Ausgangssignale der Filter
(4, 5) nach geeigneter Laufzeitanpassung in Laufzeit
gliedern (10, 11) Komponenten der trägerfrequenten
oder zwischenfrequenten Schwingung (17) in Modultoren
(12, 13) modulieren, daß die so modulierten Komponenten
in einem Summierglied (15) summiert sind und daß das
Ausgangssignal direkt oder nach einer Frequenzumset
zung im Frequenzumsetzer (16) dem Steuereingang der
Endstufe (23, 30) zur Phasenansteuerung zugeführt ist.
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