DE19612041C1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur verbesserten Nutzung der Übertragungsbandbreite eines Übertragungskanals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbesserten Nutzung der Übertragungsbandbreite nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Es ist seit langem bekannt, ein Basisbandsignal, z. B. Sprache oder Musik, über Funk zu übertragen. Dafür wird das Basisbandsignal einem hochfrequenten Träger mit der Kreisfrequenz ω_T aufmoduliert. Für die Modulation häufig benutzte Verfahren sind die Frequenz- oder Phasenmodulation des Trägers. Dabei wird die Frequenz bzw. Phase des Trägers direkt proportional zur Amplitude des Basisbandsignals verändert. Die daraus resultierende Frequenzänderung des Trägers wird als Modulationshub m bezeichnet. Dieser ergibt sich bei Frequenzmodulation aus der Gleichung

m = p _* max |v(t)|,

wobei v(t) das Basisbandsignal darstellt. Je größer der Modulationshub m gewählt wird, um so besser ist, bei sonst gleichen Übertragungsparametern, die Empfangsqualität.

Aus der DE 43 24 304 A1 ist ein FM-Empfänger bekannt, bei dem der Modulationshub des über einen Übertragungskanal übertragenen, frequenzmodulierten Signals erfaßt wird, um daraus Maßnahmen zur Störkompensation abzuleiten.

Da die für die Übertragung zur Verfügung stehenden Übertragungskanäle eine begrenzte Bandbreite B aufweisen, muß der Proportionalitätsfaktor p, ebenso wie die Amplitude des Basisbandsignals begrenzt sein. Die benötigte Bandbreite berechnet sich nach der Carson-Formel wie folgt:

B = 2 _* (m _* ω_T + 2 _* ω_v(t)),

wobei ω_v(t) die Kreisfrequenz des Basisbandsignals ist. Deren Maximum kann sehr unterschiedlich sein und liegt bei einer Musikübertragung im Rundfunk meist bei ca. 15 kHz, bei Sprache, die über Telekommunikationseinrichtungen übertragen wird, meist bei ca. 3,6 kHz.

Aus der DE 34 19 040 C2 ist ein frequenzmoduliertes Sprechfunkgerät bekannt, bei dem zur Begrenzung des Modulationshubs Amplitudenbegrenzer und Tiefpässe vorgesehen sind, um die Bandbreitenvorgaben zu erfüllen.

Da die Bandbreite B der Übertragungskanäle nicht variiert werden kann und Übertragungskanäle häufig für Signale mit unterschiedlichen Bandbreiten eingesetzt werden, bleibt bei der Übertragung eines schmalbandigen Signals, z. B. Telefonsprache, viel Bandbreite ungenutzt. Gleichzeitig weist das wiedergegebene Sprachsignal eine schlechte Qualität auf.

Zur Übertragung mittels Frequenz- oder Phasenmodulation auf dem Funkweg wird bei herkömmlichen Modulatoren die Amplitude des Eingangssignals mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators VCO in eine dazu proportionale Frequenz umgesetzt. Der spannungsgesteuerte Oszillator VCO gibt das frequenz- oder phasenmodulierte Signal in der Sendefrequenzlage aus. Der Maximalwert der Amplitude des Eingangssignals wird dabei so gewählt, daß bei einer maximalen Amplitude des Eingangssignals durch das Ausgangssignal die gesamte Bandbreite des Übertragungskanals benötigt wird. Ist die Steuerspannung des Oszillators VCO geringer, wird nicht die gesamte Bandbreite des Übertragungskanals genutzt.

Daher stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, bei dem die verfügbare Übertragungsbandbreite optimal genutzt wird. Weiterhin soll eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Da die Bandbreite eines Übertragungskanals nicht für jedes Übertragungssignal geändert werden kann, wird vorteilhaft der Modulationshub in Abhängigkeit von der Bandbreite des zu übertragenden Basisbandsignals geändert.

Durch eine frequenzabhängige Änderung der Dämpfung des Basisbandsignals, durch welches die Frequenz des Übertragungssignals festgelegt wird, wird auch durch schmalbandige Basisbandsignale die gesamte Bandbreite des Übertragungskanals optimal ausgenutzt. Dadurch wird eine verbesserte Empfangsqualität bei schmalbandigen Basisbandsignalen möglich. Weiterhin von Vorteil ist, daß das angegebene Verfahren zu benutzten Übertragungsverfahren zur Frequenz- oder Phasenmodulation vollständig kompatibel ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher erläutert und beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäß ausgestalteten Sender,

Fig. 2a ein typisches Sprachsignal als Eingangssignal mit einem hochfrequenten Störsignal,

Fig. 2b das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung nach Fig. 1.

Zusätzlich zu den Baugruppen, welche ein Sender gemäß dem Stand der Technik aufweist, ist vor dem Phasen- oder Frequenzmodulator ein erster Hochpaß HP1, ein regelbarer Verstärker RV, ein zweiter Hochpaß HP2 und ein dritter Hochpaß HP3, ein Begrenzer BG, ein erster Tiefpaß TP2, ein Oberwellenfilter TPG sowie ein zweiter Tiefpaß TP1 und ein dritter Tiefpaß TP3 vorgesehen. Dabei besteht jedoch die Möglichkeit, mehrere Hoch- oder Tiefpässe in einem Filter höheren Grades zusammenzufassen.

Um auch bei einem Sprachsignal, welches z. B. durch eine Telekommunikationseinrichtung auf eine maximale Frequenz von 3,6 kHz begrenzt wurde, die gesamte Übertragungsbandbreite zu nutzen, erfolgt erfindungsgemäß eine Begrenzung der Amplitude von Signalanteilen über der oberen Grenzfrequenz von 3,6 kHz und eine Verstärkung der Amplitude von Signalanteile unterhalb der oberen Grenzfrequenz des Sprachsignals vor dem Modulator. Dadurch wird der Modulationshub m für niederfrequente Signalanteile vergrößert und für hochfrequente Signalanteile verringert. Man erreicht dadurch eine frequenzabhängige Veränderung des Modulationshubs m, die ungefähr der Gewichtung der spektralen Anteile des Sprachsignals für die Sprachverständlichkeit entspricht. Somit wird die zur Verfügung stehende Bandbreite des Übertragungskanals in dem Sinne optimal genutzt, daß die Signalanteile, die für die Sprachverständlichkeit wichtig sind, mehr Übertragungsbandbreite und die Signalanteile, die für die Sprachverständlichkeit nicht wichtig sind, weniger Übertragungsbandbreite nutzen. Durch den größeren Modulationshub m niederfrequenter Signalanteile wird deren Übertragungsqualität verbessert, da für die Sprachverständlichkeit insbesondere niederfrequente Anteile des Sprachsignals von Bedeutung sind.

Weiterhin besteht die Möglichkeit durch Vergrößern des Modulationshubs m mit einem Sprachsignal geringer Bandbreite einen Übertragungskanal großer Bandbreite vollständig auszunutzen.

Zur Realisierung sind die folgenden Verfahrensschritte und Baugruppen erforderlich.

Ein Sprachsignal im Basisband, wie in Fig. 2a dargestellt, welches störungsbehaftet ist und beispielsweise aufgrund einer bereits erfolgten Übertragung über Telekommunikationseinrichtungen eine maximale Frequenz von ca. 3,6 kHz aufweist, wird zunächst einem ersten Hochpaß HP1 zugeleitet. Dieser führt eine Tiefenentzerrung durch, bei der Signalanteile von 1000 Hz bis 0 Hz mit 6 dB pro Oktave ansteigend bedämpft werden. Signalanteile ab 1000 Hz werden nicht mehr bedämpft. Die Tiefenentzerrung bewirkt daß die noch folgende Begrenzung BG tiefe Frequenzen nicht betrifft.

Um eine möglichst optimale Aussteuerung der Schaltung zu erreichen und eine Übersteuerung der Schaltung aufgrund der Tiefenentzerrung im Hochpaß HP1 zu vermeiden, wird anschließend die Amplitude des Eingangssignals durch einen rückgekoppelten Verstärker RV derart verstärkt, daß eine maximale Amplitude nicht überschritten wird. Die Zeitkonstante für den Verstärker wird auf ca. 1 ms festgelegt. Die Amplitude eines möglichen Eingangssignals ist in Fig. 2a über der Frequenz dargestellt. Diese Amplitude weist schematisch den typischen Frequenzgang eines Sprachsignals auf, dem ein sinusförmiges Störsignal bei hohen Frequenzen hinzugefügt wurde, welches jedoch unterhalb der oberen Grenze fo des Übertragungskanals liegt und daher mitübertragen wird.

An dieser Stelle der Schaltung kann zusätzlich ein nicht frequenzabhängiger Verstärker eingefügt werden, um ein Absinken der Signalspannung unter die Rauschschwelle zu vermeiden.

Anschließend wird das Signal durch einen Hochpaß HP2 gefiltert. Dessen Grenzfrequenz stimmt mit der oberen Grenzfrequenz des Eingangssignals überein, so daß dieser eine Verringerung der Amplitude für Frequenzen bewirkt, die im Eingangssignal zur Informationsübertragung benutzt werden, also bis 3,6 kHz. Dadurch wird erreicht, daß die im Eingangssignal vorhandene Information auch für Frequenzen zwischen 1 kHz und 3,6 kHz durch die nachfolgende Begrenzung BG gar nicht oder zumindest möglichst wenig beeinflußt wird. Außerdem ist die Dämpfungscharakteristik des Hochpaßfilters HP2 derart ausgelegt, daß das Hochpaßfilter HP2 zusammen mit Tiefpaßfilter TP1 eine Allpaßcharakteristik aufweisen, d. h. eine konstante, frequenzunabhängige Dämpfung über der Frequenz bewirken.

Durch die folgende Tiefenabsenkung im Hochpaß HP3 wird zumindest im relevanten Sprachfrequenzbereich von 300 Hz bis 3,6 kHz eine frequenzabhängige Dämpfung durchgeführt. Die Dämpfungswerte sinken mit zunehmender Frequenz um 6 dB pro Oktave.

Danach werden die Amplituden des Ausgangssignals des Hochpaßfilters HP2 durch den Begrenzer BG oberhalb einer bestimmten Amplitude A_BG hart begrenzt. Die Begrenzung hat nur auf die Störung nahe fo gewirkt, die nun die gleiche Amplitude wie das bedämpfte Sprachsignal aufweist. Aufgrund der vorangegangenen Hochpaßfilterungen sind generell von der Begrenzung nur Signalanteile oberhalb der oberen Grenzfrequenz des Eingangssignals betroffen, die keine Information mehr enthalten. Dies ist in der Fig. 2b nur der sinusförmige Störanteil. Die Signalanteile des Eingangssignals mit niedrigerer Frequenz als die Grenzfrequenz des Hochpaßfilters HP2, also das gesamte Sprachsignal, bleiben unverändert erhalten, da deren Amplituden aufgrund der Hochpaßfilterung und der gesteuerten Verstärkung unterhalb der Ansprechschwelle A_BG des Begrenzers BG liegen.

An dieser Stelle der Schaltung kann ein weiterer Verstärker eingefügt werden, um ein Absinken der Signalspannung unter die Rauschschwelle zu vermeiden.

Anschließend wird das Signal einem Tiefpaß TP3 zugeleitet, dessen Kennlinie den frequenzabhängigen Einfluß von Hochpaß HP3 wieder kompensiert, wodurch der Einfluß von Hochpaß HP3 und Tiefpaß TP3 einem Allpaß entspricht, d. h. eine frequenzunabhängige Dämpfung erfolgt. Diese Dämpfung wird wiederum durch einen Verstärker ausgeglichen.

Danach erfolgt eine weitere Tiefpaßfilterung im Tiefpaß TP2, durch die die Tiefenentzerrung im Hochpaß HP1 kompensiert wird. Die Dämpfung steigt daher im Frequenzbereich von 0 Hz bis 1000 Hz um 6 dB pro Oktave an und bleibt ab 1000 Hz auf einem konstanten Wert.

Um eventuell bei der harten Begrenzung entstandene Oberwellen zu beseitigen, wird das Signal anschließend einem Oberwellenfilter TPG zugeleitet, das aber auf den Frequenzbereich des Sprachsignals keinen Einfluß hat.

Anschließend erfolgt eine weitere Tiefpaßfilterung. Der benutzte Tiefpaßfilter TP1 wird so ausgelegt, daß Grenzfrequenz und Dämpfung mit dem eingangs verwendete Hochpaßfilter HP2 im wesentlichen übereinstimmen, wie bereits erwähnt. Dadurch wird durch die Filter HP2 und TP1 ein Allpaßverhalten mit einer frequenzunabhängigen, konstanten Dämpfung erreicht. Diese Dämpfung wird durch in der Schaltung vorgesehene Verstärker wieder kompensiert.

Die Dämpfung des Tiefpaßfilters TP2 für Frequenzen oberhalb der oberen Grenzfrequenz des Eingangssignals wird für zunehmende Frequenzen derart erhöht, daß die vom modulierten Übertragungssignal benötigte Bandbreite konstant bleibt. Das bedeutet, daß die Amplitude von Signalanteilen großer Frequenz so stark bedämpft wird, daß die Aussteuerung des spannungsgesteuerten Oszillators in dem Maße abnimmt, wie die Frequenz des Eingangssignals zunimmt. Dadurch wird eine noch bessere Anpassung des Spektrums des modulierten Signals an die Bandbreite des Übertragungskanals erreicht, da ab der oberen Grenzfrequenz des Sprachsignals sich die benötigte Übertragungsbandbreite nicht mehr erhöht, sondern konstant bleibt.

Da der Einfluß der vorgesehenen Filter sich im Sprachfrequenzbereich gegenseitig kompensiert, verbleibt die begrenzende Wirkung oberhalb der oberen Grenzfrequenz des Sprachsignals durch die Begrenzerbaugruppe BG als einzige Wirkung der Schaltungsanordnung. Anschließend wird das begrenzte Eingangssignal gemäß Fig. 2b dem spannungsgesteuerten Oszillator VCO zugeleitet. Aufgrund der Begrenzung weist dieses Steuersignal bei hohen Frequenzen, beispielsweise beim sinusförmigen Störsignal, eine geringere Amplitude auf als bei Frequenzen im Sprachfrequenzbereich und bewirkt daher bei Frequenzen oberhalb der oberen Grenzfrequenz des Sprachsignals einen verringerten Modulationshub. Beim Empfänger wird daher in diesem hohen Frequenzbereich, in dem das Störsignal liegt, nur eine geringe Empfangsqualität erreicht. Dies stellt keinen Nachteil dar, da dort kein Sprachsignal vorliegt. Bei niedrigeren Frequenzen, bei denen das zu übertragende Sprachsignal liegt, ist jedoch keine Begrenzung erfolgt. Aufgrund des in diesem Frequenzbereich vergrößerten Modulationshubes wird die Empfangsqualität verbessert.

Die Parameter der Baugruppen sind dabei so zu wählen, daß die zur Verfügung stehende Bandbreite des Übertragungskanals optimal ausgenutzt wird. Daraus ergibt sich, daß bei einer optimalen Dimensionierung die Summe aus maximaler Frequenz des Eingangssignals und dem Modulationshub gleich der Bandbreite des Übertragungskanals gewählt wird.

Eventuell im Sender bereits vorliegende Steuersignale, die signalisieren, wann ein breitbandiges und wann ein schmalbandiges Übertragungssignal vorliegt, können zur Umschaltung zwischen einer herkömmlichen Modulation und der erfindungsgemäßen Modulation für die Übertragung eines schmalbandigen Sprachsignals benutzt werden.

Nach Bedarf können zwischen den einzelnen Baugruppen weitere Verstärker eingefügt werden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es nun, daß insbesondere bei der Übertragung eines Sprachsignals die gesamte Bandbreite eines Übertragungskanals genutzt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Amplitude des Basisbandsignals für hohe Frequenzen, die keine Information mehr beinhalten, verringert wird und das Steuersignal für den spannungsgesteuerten Oszillator derart verstärkt wird, daß dieser die gesamte Bandbreite des Übertragungskanals nutzt. Dadurch wird der Modulationshub in Abhängigkeit von der Bandbreite des Übertragungssignals verändert, so daß bei einem schmalbandigen Übertragungssignal ein großer Modulationshub und bei einem breitbandigen Übertragungssignal ein kleiner Modulationshub gewählt wird. Durch den größeren Modulationshub verbessert sich die Signalqualität des Empfangssignals. Dabei sind keine Änderungen an den bereits bisher benutzten Empfängern erforderlich.

Die vorliegende Erfindung kann bei allen Sendern mit Phasen- oder Frequenzmodulator eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur verbesserten Nutzung der Übertragungsbandbreite eines Übertragungskanals durch ein Übertragungssignal geringer Bandbreite, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Übertragungssignals bei niedrigen Frequenzen durch einen Hochpaß (HP2) verringert wird, daß die Amplitude des derart gefilterten Übertragungssignals durch einen Begrenzer (BG) begrenzt wird, daß die Amplitude der durch den Hochpaß (HP2) nicht gedämpften Anteile des begrenzten Übertragungssignals durch einen Tiefpaß (TP2) verringert wird und daß durch das resultierende Signal ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) gesteuert wird, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) die Amplitude des resultierenden Signals in eine proportionale Frequenz, insbesondere in Sendefrequenzlage, umsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungssignal vor der Hochpaßfilterung durch einen gesteuerten Verstärker (RV) derart verstärkt wird, daß eine maximale Amplitude nicht überschritten wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ab der Frequenz, ab der der Begrenzer (BG) einsetzt, das verstärkte Übertragungssignal durch einen Hochpaß (HP1) gedämpft wird und daß das noch nicht gedämpfte Übertragungssignal nach der Tiefpaßfilterung durch einen Tiefpaß (TP1) in ähnlichem Umfang gedämpft wird.

4. Schaltungsanordnung zur verbesserten Nutzung der Übertragungsbandbreite eines Übertragungskanals, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, welche einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungssignal einem Hochpaß (HP2) zugeleitet wird, wodurch es unterhalb seiner oberen Grenzfrequenz gedämpft wird, daß das gefilterte Übertragungssignal einem Begrenzer (BG) zugeleitet wird, der die ungedämpften Signalanteile begrenzt, daß das begrenzte Signal einem Tiefpaß (TP2) zugeleitet wird, der die begrenzten Signalanteile dämpft, wodurch die Amplituden oberhalb der oberen Grenzfrequenz wesentlich verringert werden und daß das derart erzeugte Signal als Steuersignal dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) zugeleitet wird, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) die Amplitude des Steuersignals in eine proportionale Frequenz, insbesondere in Sendefrequenzlage, umsetzt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Hochpaß (HP2) ein weiterer Hochpaß (HP1) angeordnet ist, welcher das Übertragungssignal an der oberen Grenzfrequenz dämpft und daß nach dem Tiefpaß (TP2) ein weiterer Tiefpaß (TP1) angeordnet ist, der den Hochpaß (HP1) wieder kompensiert.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bandsperre (HP1) ein gesteuerter Verstärker (RV) angeordnet ist, der das Überschreiten einer maximalen Amplitude verhindert.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an verschiedenen Stellen der Schaltungsanordnung Verstärker mit konstantem Verstärkungsfaktor angeordnet sind, wodurch immer ein Mindestabstand zwischen Signalamplitude und Rauschschwelle eingehalten wird.