DE19535075A1 - Digitalmodulation - Google Patents

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.