DE2259234A1 - Dekommutatoranordnung - Google Patents

Description

Dr Ing. H. Negandank

Dipl. Ing. H. Häuck - Dipl. Phys. W. Schmitz

DiplJng. E. Graaifs - Dipl. Ing. W. Wehnert

8 München 2, MozarisiraOe 23

Telefon 5380586

Centre National d'Etudes

Spatiales

129, rue de L'Universite 3. Dezember 1972

F-75 Paris, France Anwaltsakte M-2433

Dekommutatoranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf die radio-elektrische Nachri.chten¹-technik und insbesondere auf eine Anordnung zur Dekommutation einer von thermischen Rauschen begleiteten unbestimmten Nachricht (message ale'atoire), welche Anordnung die Information in digitalisierter Form unter Steuerung eines sogenannten ^Mbit-Detektors" herauszieht und wobei man keinen lokalen Taktgeber (Uhr) benutzt, sonderr die Dekommutierwirkung (Entschlüsselung) dadurch erreicht, daß die lokalen Taktgebersignale ausgehend von der empfa^enen Nachricht

,Weder aufgebaut werden.

Eine solche Situation wird z.B. beim Aufbau von Telekommunikations·

[verbindungen zwischen verschiedenen Raumfahrzeugen und der Erde

jangetroffen. Im folgenden wird insbesondere dieses Anwendungsgebiet} behandelt, aber es soll hier nachdrücklich unterstrichen werden, !daß die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Anwendungsgebiet ] geschränkt werden soll und daß auch der Telefonverkehr mit kodier-

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ten Impulsen, die Verbindung zwischen Rechnern, die Fernsehtechnik und im allgemeinen alle die Systeme einbezogen werden sollen, bei denen eine Verbindung über eine Entfernung hinweg mit Hilfe einer Nachricht aufgebaut wird, deren Frequenzspektrum keine Korrespondenzlinie oder Korrespondenzsignale aufweist.

Bevor nun die Erfindung im einzelnen weiter beschrieben wird, soll eine Anzahl ion üblichen Definitionen wiederholt werden und angemerkt werden, in welchem Sinne sie hier gebraucht werden.

üas PCM-Verfahren (Pulszahlmodulation) ist ein Zeitmultiplexverfahren, das man bei digitalen Kommunikationssystemen benutzt, um seriell große Informationsmengen zu übertragen. Bei der Aussendung werden die Informationsquellen durch einen Schalter abgetastet, jede einem Multiplex-Weg entsprechende analoge Größe wird durch einen Digital-Analog-Wandler in eine binäre Größe umgewandelt. Die binäre Größe wird durch eine Impulsfolge dargestellt, von denen jeder den Wert Null oder Hins annehmen kann und die "bits" genannt werden. Jeder Weg der zu übertragenden Signale wird binär kodiert^ ium "Worte" zu bilden; die PCM-Nachricht wird von einer Reihe solcher Worte gebildet.

Es ist hierbei klar, daß die Dekommutationsiordnung ein sogenannte* "primärer" Synchronisator ist, d.h. daß er zur Herausarbeitung der einen zufälligen Charakter aufweisenden Informationsbits dient und nicht zum Herausarbeiten der Worte.

Bei dem PCM-Telekommunikationsverfahren werden verschiedene Codes i

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als Träger der binären Information benutzt: Bei dem mit NRZ bezeichneten Code ("no return to zerdO, der selbst mehrere Varianten aufweist, stellt die ganze Periodendauer des bits den Informationsträger. Zum Beispiel wird beim sogenannten NRZ-L-Code eine 1 durch ein erstes Niveau (hoch) und eine 0 durch ein zweites Niveau (niedrig) dargestellt; somit erhält man einen Übergang jedesmal dann, wenn das bit seinen Zustand ändert (von 0 nach 1 oder von 1 nach 0).

Beim Zweiphasen-Code (auch Spaltphase genannt) wird die Information durch einen Übergang inmitten der bit-Periode dargestellt. Auch dieser Code weist verschiedene Varianten .auf.

Binärnachrichten die gleichwarscheinlich unter Zuhilfenahme des NRZ-Codes und des Zweiphasen-Codes übertragen werden, zeigen in ihrem Frequenzspektrum eine diskrete Linie der Taktfrequenz einer Digitaluhr.

Was das PSK-Verfahren (phase shift keying) anbetrifft, so handelt es sich dabei um ein Verfahren zur Modulation der Phase einer unterdrückten Trägerwelle (oder einer Teilträgerwelle) durch eine NRZ-kodierte aleatorische Nachricht.

Die erfindungsgemäße Dekommutationsanordnung_fdie eine von Rauschen

Eingangs- ' .

begleitete PCM-Nachricht erhält baut die beiden/folgenden Funktionen auf:

3 0 9 8 2 kl 10 8 0

1. sie erzeugt ein lokales Taktgebersignal, das synchron mit der Eingangsnachricht ist;

2. sie baut (unter Ausnutzung des Taktgebersignals) die PCM-Folge wieder auf, die in Gegenwart des Rauschens gesendet worden ist.

Im einzelnen hat man festgestellt, daß die Fehlerhäufigkeit bei diesem erneuten Aufbau der ausgesandten Signale praktisch die geringst Dichte erreicht, die theoretisch übetiaupt möglich ist.

Es existiert bereits eine Reihe von Anordnungen, die ihrem Arbeits prinzip nach beschrieben oder bereits in die Praxis umgesetzt worden sind, bei denen zum Erreichen des angestrebten Ziels (vlg. Funktionen 1) und 2)) eine Synchronisationseinrichtung benutzt wird, in welcher eine Kreuz-Korrelation des Eingangssignales mit Hilfe von lokal erzeugten Taktgebersignalen aufgebaut wird.Diese Kreuz-Konelation wird zu diesem Zweck von einer nicht-linearen Bearbeitung begleitet. Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet auch in dieser Weise, wobei sie jedoch die Nachteile der bekannten Anordnungen nicht aufweist.

Letztlich erkennt man die zahlreichen Vorteile der erfindungsge*· mäßen Anordnung nur im Vergleich zum Stand der Technik. Nichtsdestoweniger ist hier zu unterstreichen, daß die erfindungsgemäße Anordnung in der Lage ist, Nachrichten in analoger, aber auch genau-

so gut digitaler Form mit einem NRZ-Code, einem Zweiphasen-Code oder im PSK-Verfahren zu bearbeiten, wobei die "!rundstruktur der

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Unordnung erhalten bleibt. Dies ist bei den bekannten Anordnungen üichtjder Fall, die nur bei einer besonderen Signalart arbeiten s.B. bei digitalen NRZ-.

Darüberhinaus können die bekannten Anordnung^ in zwei Klassen einge teilt werden:

in die eine Klasse gehören die zwar beschriebenen Prinzipanordnungen, die aber nicht effektiv realisiert worden sind; es fehlt die Angabe von Details, die für die Beurteilung des Wertes der Anordnung unbedingt erforderlich sind und eine vergleichende Wertung mit der erfindungsgemäßen Anordnung erst ermöglichen;

in die andere Klasse gehören die Anordnungen, die bereits effektiv realisiert worden sind.

Man muß feststellen, daß die Anordnungen der zweiten Klasse sehr schwer und komplex im Aufbau sind; es gibt somit keine relativ leichten und einfachen Anordnungen,die einen Wirkungsgrad afweisen der sich dem theoretisch möglichen Maximum annähert.

Im speziellen Fall eines Raumfahrzeuges ist es aber besonders

daß
wichtig, der im Raumschiff befindliche Dekommutator so leicht und so zuverlässig wie möglich ist und dabei einen guten Wirkungsgrad aufweist. Man erkennt daraus, daä beachtliche Interesse der Erfindung daran, diese Ziele zu erreichen.

Es wurde gefunden, daß es möglich ist, eine allgemein verweiibare

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Anordnung zu benutzen, die relativ einfach im Aufbau und leicht Lst, die einen guten Wirkungsgrad aufweist und eine Reibe von Vorteilen gegpiüber den bekannten Anordnungen aufweist; ein beachtli- :her technischer Fortschritt ist somit gegeben.

Trotzdem sollen im folgenden einige der bekannten Vorrichtungen jeschrieben werden, um die Unterschiede gegenüber der erfindungsge" aäflen Anordnung deutlich hervortreten zu lassen.

In erster Linie soll de von A.J. VITERBI beschriebene Phasenverriegelungsschleife ("Principles of coherent communication", herausgegeben von McGraw Hill) beschrieben werden; aber es handelt sich dem Prinzip nach bei dieser Anordnung um einen Synchronisator, der mit einer in dem Spektrum der Eingangssignale enthaltenen Linie arbeitet. Wenn auch das Ergebnis dem bei der Erfindung erreichten Ergebnis entspricht, so kann das Funktionsprinzip nur als verschieden bezeichnet werden, da man doch diese Linie nicht lokal wieder zu erzeugen braucht.

Außerdem¹äie von MENGALI beschriebene Anordnung zu erwähnen ("IEE Transactions on aerospace and electronic systems", Juli 1971, Seiten 686 f, insbesondere Fig. 1 ). Die Nachricht wird auf zwei parallelliegende Ketten, die Integratoren enthalten, mittels zweier Multiplikatoren gegeben, auf die die von der Kombination der beiden Ketten erzeugten Signale mittels mehrerer im Reihe geschalteter Elemente einwirken; dazu gehören ein Schleifenfil-ter und ein spannungsgesteuerter Taktgeber. Diese Anordnung weist JLn ihrem Erscheinungsbild gewisse strukturelle Übereinstimmungen

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"⁷V 22S9234

I ■ - '■ ; ■

^nit der erfindungsgemäßen Anordnung auf; gleichwohl ist ihre Arbeitsweise sehr unterschiedlich. Sie beruht in erster Linie auf dem Vorhandensein eines Elements Th in einer der Ketten und scheint nur für den Betrieb im digitalen NRZ odfer sweiphasig vorgesehen zu sein; es weist weiterhin keine Mittel zum Aufhaben der Phasenmehrjdeutigkeit der Aus gangs Signa Ie auf,

er Vollständigkeit halber soll schließlich hier der in der Fig. 4 jdes NASA-Berichtes "Technical report 52-1314", Jet propulsion laboratory, 1. August 1968, Seite 4, beschriebene PSK-Demodulator geschrieben werden. Wegen vorhandener Analogien könnte man diese Anordnung als Stand der Technik zugrundelegen. Man findet dort einen Phasenvergleicher oder eine ähnliche Einrichtung mit zwei

arallel von der Nachrichtßrespeisten Ketten, von denen jede einen Integrator ("early integrator", "late integrator") und ein nichtlineares Element vom Absolutwert typ ("bit timing loop") in Serie geschaltet aufweist, die über einen spannungsgesteuerten Taktgeberoszillator die Taktgebersignale ansteuern. Die Einrichtung "bit timing loop" funktioniert nur bei digitalem NRZ. Darüberhinaus ist eine Phasenschleife zur Erfassung der Taktfrequenz der Teil-Trägerrille vom COSTAS-Schleifentyp erforderlich, die dazu führt, daß idiese Ausführungsform sehr komplex und spezifisch realisiert ist.

!Bei dieser letzten Anordnung der NASA soll bemerkt werden, daß in Übereinstimmung der vorliegenden Erfindung die beiden Integratoren jwährend unterschiedlicher Teile der Periodendauer arbeiten, bei !diesen tritt aber folgende Überlappung zwischen * den Teilen der

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Periodendauer auf; der als "early" bezeichnete Integrator inte*· griert von tn ♦ T/3 bis tn + 4 T/3 und der mit "late " bezeichnete ,Integrator integriert von tn + 2T/3 bis tn + 5T/3, sodaß die Ober-

! beträgt

lappung ΙΎ/lK Dementsprechend wurden die Ketten der erfindungsgemäßen Anordnung, in denen sich die Integratoren in ähnlicher Aufgabenstellung befinden,als Kette £ (early) und Kette L (late) bezeichnet.

Ausgehend von der zuletzt genannten bekanntenAiordnung kann man also folgende Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Anordnung feststellen: Anordnung zur Dekommutation einer von thermischen Rauschen begleiteten unbestimmten Nachricht vom Typ PCM, welche Anordnung die Information in digitalisierter Form unter Steuerung eines bit-Detektors ohne Benutzung externer Taktgebersignale heraus arbeitet, wobei die Anordnung zu diesem Zweck wenigstens einen Phasenvergleicher oder eine ähnliche Einrichtung mit zwei parallel von der Nachrichtjgespeisten Ketten aufweist, von denen jede einen Integrator und ein nicht-lineares Element in Serie geschaltet besitzt und wobei die Integratoren jeweils während einer gleichlangtn Zeitdauer einer Taktgeberperiode unter teilweiser Öbeiappung dieser Zeitdauer arbeiten.

! Um die oben umrissenen Ziele und Vorteile zu erreichen, ist die ■ . .

üekommutieranoidnung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleicher Schaltelemente aufweist, die von den lokal erzeugten Taktgebersignalen angesteuert werden und bei einer Frequenz arbeiten, die ein Teilvielfaches (so« -multiple) der

-9-

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Frequenz der Taktgebersignale ist, um die von den Integratoren in einem eine ganzzahlige Zahl von Taktgeberperioden enthaltenden Zeitintervall erzeugten und während eines folgenden gleichen Zeit· Intervalls gespeicherten Signale abzugreifen, um im Gegensatz zum Bekannten Fehlersignale zu erzeugen,welche ihrerseits einen Oszillator steuern, der die auf den Phasenvergleicher und den bit' Detektor einwirkenden lokalen Taktgebersignale (Uhrsignale) erzeugt.

Für die Realisierung der Speicherung der Informationssignale und ihre stetige Fortleitung ist es gemäß einer bevorzugten Ausfuhrunds form der Erfindung von Vorteil, nicht nur ein Kettenpaar zu benutzen sondern zwei Kettenpaare, die abwechselnd derart betrieben werden, daß die eine Kette speichernd arbeitet, während die andere Kette zum Erzeugen der Fehlersignale für die Phaseneinstellung des Oszillators dient. Man kann auch einen einzigartigen Phasenvergleicher realisieren -der nicht notwendigerweise eine Hilfsphasen schleife für die Bestimmung der Taktfrequenz der Teil-Trägerwelle aufweisen muß-, der im PSK-Betrieb arbeitet.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren beschrieben werden. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des PSK-Verfahrens; Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung; Fig. 3 zeigt die Form des Fehlersignals in Abhängigkeit von Zeit; Fig. 4 das Zeitverhalten der in der Anordnung gem. Fig. 2 ver-

-10-

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wendeten Elemente;

Fig. 5 ein Blockschaltbild der in der Anordnung gem. Fig. 2 verwerten Logik;

Fig. 6 ein Prinzipschdtbild zweier Ketten zur Erläuterung der Er* findung;

Fig. 7 eine Phasencharakteristik;

FIg. 8 zeigt die theoretische Abhängigkeit von -H-* als Funktion

E ^2lf 2

_{von (} wobei der Parameter ß in der Fig. zu 4/ΤΓ

N_n gewählt°ist;

Fig. 9 die experimentellen Werte für die Phasenänderung im Vergleich zur theoretischen Kurve;

Fig. 10die bit-Fehler-Wahrscheinlichkeitskurven, und zwar die experimentellen und theoretischen;

Fig.11 und 12 grafische Aufzeichnungen der Fehler der Phaseinüber-

i ginge;

Fig. 13 (die in zwei Teilfiguren 13a und 13 b dargestellt ist) ein

Prinzipblackdiagramm eines PSK-Synchronisators; Fig. 14 die ChEr akter is tik des entsprechenden Phasenfehlers; Fig. 15 die Eingangsschaltung eines Verstärkers-Integrators und Fig.16 die mögliche Eingangs dialtung für einen Summierer.

Die erfindungsgemäße Dekommutieranordnung (oder die möglichen Aus führungsformen) haben also die Aufgabe^die Frequenz oder den "Rythmus bzw. Takt" der bits zu bestimmen -die angenommenerweise ungefähr bei 1000 Hz liegt-, um die die Information darstellenden bits wieder aufzubauen.

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■" ¹¹ ""■ 2253234

Bevor nun auf die erfindungs gemäße Anordnung eingegangen wird, soijl

!kurz das PSK-Verfahren bei einer in NRZ-kodierten Nachricht beschrieben werden. In der Fig. 1 ist in der Zeile a. die Binärnach-

! rieht T00101 kodiert in NRZ dargestellt. In den Zeilen b und c ist die PSK modulierte Welle (rechteckig oder sinusförmig) dargestellt unter der Annahme zweier vollständiger Schwingungen pro bit.

ι - ".-"■■■ -' ■

ι ■■-"."

In der Fig. 2 ist das Blockschaltbild der Grundausstattung der

j erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben. Man findet dort zwei mit A und B bezeichnete Blöcke und eine mit C bezeichnete Kette.

! Der mit B bezeichnete Block stellt den an sich bekannten bit-Detektor dar. Der mit A bezeichnete Block stellt zusammen mit der ■ " -

j Kette C die Phasenverriegelungsschleife zur Bestimmung der Teil-Trägerwelle (snsporteuse) dar. In dem einen PhasenverRLeicher dar-

: stellenden Block finden sich vier Ketten E., L--, E₂, L-, die

j parallel mit der Nachricht x(t + ^f ) über Multiplikatoren M₁ ,M₂ gespeist werden. Jeder Multiplikator geeist ein Kettenpaar. In jeder der Ketten sind ein Integrationselement IE₁, IL₁, IE₉ bzw. IL-, ein nicht-lineares Element NLg₁, NLj₁, NL_E2 bzw. NLt₂ und eine Kommutierelement C^₁, C,-, C^₂ bzw. C-₂ in Reihe geschaltet. Jedes Integrationselement arbeitet während zweier Zeitintervalle.

_: Im ersten Zeitintervall integriert es die empfangenen Signale und im zweiten Intervall speichert es die so empfangene Information; über das nüit-lineare Element und das Kommutierelement wird diese Information abgezogen, um ein Fehlersignal zu bestimmen.

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Es bietet sich hier an, darauf hinzuweisen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung ganz allgemein definiert worden ist; sie kann in Abhängigkeit davon, ob sie analog oder numerisch arbeiten soll, auf verschiedene Weise realisiert werden. Arbeitet sie analog so sind die Integrationselemente IE. usw. und die nicht-linearen Elemente NLg.. besondere Bauelemente, wie sie aus der Analogtechnik bekannt sind; wenn aber andererseits die Verarbeitung digital erfolgt, bezeichnen I_£1 usw. Addierglieder und die Elemente sind Elemente vom Modul-Typ.

NL

Die Anordnung wird so ausgelegt, daß einerseits die Integrationszeiten eines Paares der einander zugeordneten Ketten sich zum Teil überlappen: -T/4 bis +3 T/4 für I_£1 bzw. I_£2 und -3 T/4 bis *T/4 für I*.. bzw. Ijo» ^w°b^ei T die vollständige Periodendauer der bit-Frequenz ist (oder der Trägerwelle im Falle der PSK) und andererseits jedes Paar abwechselnd arbeitet, d.h. während in einem Paar die Integration erfolgt, speichert das andere Paar die Information worauf das Signal abgegeben wird. Dies Ergebnis wird mit Hilfe der Art und Weise der Kommutationsausführung erreicht. In der Fig. 3 ist das Fehlersignal grafisch dargestellt und in der Fig. sind die Zeitabläufe schematisch dargestellt.

Man sieht, daß jedes der Intervalle eiim Wert von 2T aufweist. Die Kommutation von einem der Kettenpaare zum anderen wird innerhalb des Intervalls 2T bewirkt, d.h. das Fehlersignal wird von jeder j Kette während der Zeitdauer von 4T abgegriffen (bis zu dem Moment, wo der entsprechende Integrator auf O gestellt "ird). Man sieht

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außerdem, daß die O-Stellung am Anfang eines Intervalls von der Dauer 2T nach der Integration bewirkt wird.

Auf den Phasenvergleich^ A folgt die Kette C, und zwar als erste ein Summierer S, der die Differenz der beiden in den Ketten E und L erzeugten Fehlersignale bestimmen soll. An den Ausgang des Summierers S ist ein Schleifenfilter F_ß (filtre de boucle) angeschlossen. Das Ausgangssignal des Filters (mittleres Fehlersignal^C^f )) wird auf einen lokalen Oszillator VCO gegeben, dessen Spannung gesteuert wird; seine Frequenz beträgt z.B. das Sechzehnfache der bit-Frequenz. Die Ausgangssignale des Cteillator durchlaufen eine Divisionslogik, deren Schaltschema in der Fig. 5 gezeigt ist^und wirken danach auf die Multiplikatoren, die Integrationselemente und die Kommutierelemente des Phasenvergleichers ein, sowie auf die drei Hauptelemente des Teils B des Dekommutato ein. Die Hauptelemente des bit-Detektors sind ein Multiplikator M-, ein Integrator I_ß und eine "Entseheidungs"-Kippschaltung. Am Ausgang der letzteren erhält man die zurückgewonnenen bits der Information.

Die bitswerden hia: in kohärenter Weise im NRZ-Code mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit erfaßt, die eine Funktion der folgenden Größen ist:

N ; Rauschleistungsdichte,

T : Periodendauer der bits,

P : Leistung des empfangenen Signals und E : bit-Energie.

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Int folgenden soll nun die Arbeitsweise des Phasenvergleichers inter Bezugnahme auf die Fig. 6 beschrieben werden, in der nur ein einziges Kettenpaar gezeigt ist. ;

Das Eingangssignal χ (t +Y) wird in der Kette E ia Multiplikator j Mg mit einem Signal sit + T/4) eines lokalen Taktgebers multipli4 ziert; in cfer Kette L wird das Eingangssignal in dem Multiplikator mit dem Signal s_Q(t + 3T/4) eines lokalen Taktgebers multiplizier

Diese Produkte werden danach während der Elercentarperioden l/integriert , die in Abhängigkeit von der Phase des Taktgebers um folgende Werte zeitlich verschoben sind:

- T/4 (= voreilend) in der Kette E und + T/4 («nacheilend) in der Kette L.

Ein nicht-lineares Element (mit der Charakteristik y = xⁿ)richtet das Ausgangssignal gleich. Man hat dort η gleich zwei zugrundegelegt; dieser Wert ist eine gute Annäherung der Übertragungscharakteristik des in der Fig. 16 gezeigten Schemas mit einem günstigen Signal/Rausch-Verhältnis; außerdem werden dadurch die Berechnungei erleichtert.

Das Fehlersignal f (^f)* das dem Oszillator VCO steuert, wird durcl die Differenz der von den beiden Ketten E und L erzeugten Fehlersignale gebildet.

Es ist ersichtlich, daß beim Fehlen eines Rauschens € (^ ) * .0,

-15-

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I " ^1S " 2253234

jwenn eine Modifizierung der bits nicht auftritt und damit diese vorhanden sind, fiff) proportional zur Phasendifferenz zwischen dem Signal des lokalen Taktgebers und dem empfangenen Signal ist.

;Bei der Bestimmung der Phase tritt keine Mehrdeutigkeit auf, wie es sich aus der charakteristischen Kurve des Mittelwertes des Signals £ (¹^) als Funktion der bestimmten Phase ergibt (siehe Fig. )

Für de an den Verschiedenen Punkten (1), (2), (3) und (4) die in der Fig. 6 markiert sind, ergeben sich die folgenden Ausdrücke:

t +Jf₁) - χ (t +<f).s_o (t + -£ ) + — τ

₁Ct₊ξρ = y /U₁Ct₊^₁) dt

(3) *} Ct +^), wobei " f T

<-( , f , 0 die Phasenwinkel sind.

Analoge Gleichungen erhält man für die mit einem Apostroph charak terisierten Punkte (1*), (2¹) und C3¹) in der Fig. 6.

Berücksichtigt man das lauschen n(t)_;so erhält man ein zusätzliches equivalentes Rauschen N ^(t) mit einem Rauschleistungsspektrum S(^L* , <y* )_x das in der Nähe des Punktes stabiler Phasenverriegelung ((-O^ O, H"->- O) im wesentlichen linear verläuft.

! Die theoretischen Betrachtungen von VITERBI und TAUSWORTHE können auf eine equivalente Schleife angewendet werden, die einen Schleifenfilter zweiter Ordnung mit der folgenden Transferfunktion be-

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sitzt:

Pi,) Ί + T_?

^^ρ ^~ , wobei T₁ und T, Zeitkonstanten , ♦ T_lp IP 2Ρ

Der Phasenunterschied kann im Falle der von A.J. Viterbi beschriebenen Synchronisationsanordnung mit Squaring-Schleife wie folgt geschrieben werden:

2? _s (1 ♦ ßN_o ) , darin ist

> ßP _PT

ß ein Koeffizient:

β s fü_r eine Schleife vom Rechteck-Rechtecktyp

TT 2

d.h. s_o(t) und χ (t +Ψ) sind Rechtecksignale,

ß = 1 für eine Schleife vom Sinus-Sinustype,

bei der s C*) und x (t ^+tf ) sinusförmige ο ^J

Signale sind.
I₁ ist die Bandbreite der Equivalentschleife.

^L ' , ■ ■ Mi -4

Die Fig. 8 zeigt die Variationskurve von —^— als Funktion von E/N_Q für eine Bandbreite B_L gleich 30 Hz.

Unter diesen Bedingungen kann die Bestimmungszeit für die Phase geschrieben werden als t«#^—'— mit ^f * 0,707, wobei die

2B_L

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" ¹⁷ " 225S234

Annäherung wegen B_T-sgc 1/T zulässig ist; für die Bestimmungszeit der Synchronisationsfrequenz ergibt sich unter denselben Bedingun-

gen: t_f g ' (in see).

^BL

Damit man zu in geeigneter Weise verteilten Fehlersignalmustern gelangt ist vorgesehen, daft zwei Paare paralleler Ketten vorgesehen sind, die abwechselnd arbeiten (siehe Fig. 2). Hierbei ist auch in gleicher Weise von Vorteil, daß die vier Ketten einen identischen Aufbau aufweisen, wodurch ihre Herstellung vereinfacht wird.

Es soll hier aber nochmals darauf hingewiesen werden, daß es keine falls unbedingt erforderlich ist, vier Ketten vorzusehen, sondern daß man vielmehr mit zwei Ketten alleine auskommen kann, indem ein Speicher jedem Integrator zugeordnet wird, damit der Integrator in jedem der aufeinanderfolgenden Intervalle ... 2/T integrieren und danach auf 0 gestellt werden kann. Nichtsdestoweniger wird es aber vorgezogen mit den in der Fig. 2 gezeigten vier Ketten zu arbeiten; diese Ausführungsform wird in der folgenden Beschreibung weiter behandelt werden.

Es wird zum Beispiel angenommen, daß die nicht-linearen Elemente Dioden sind, von denen die eine in einer Richtung in der Kette E und die andere mit umgekehrter Durchlaßrichtung in der Kette L angeordnet ist; weiter wird angenommen, daß die Spannungsdurchlaß' charakteristik der ihrem Ladekreis zugeordneten Diode quadratisch und einseitig gerichtet ist. Wenn man nun eine (integrierte) Spannung V- auf den Eingang der Diode in der Kette E und eine Spannung V₂ auf den Eingang der Diode in der Kette L gibt, so ge-

0 824/1000

langt man (im Falle von nur zwei Ketten) zu folgender Wertetabelle

Fälle

1.	Fall	V	O	V	O
2.	Fall	V	O	V	O
3.	Fall	V	O	V2>	O

4. Fall

Fehlersignal

= O = -V,²

Man sieht, daß im ganzen der Mittelwert von^(^) gleich V.

2 V₂ ist; dieser betrifft die Informtion; während das Rauschen eine Beitrag liefert, der in diesem Falle zu einem Abfall der Phasenänderung von 3 dB führt. Damit ergibt sich daß hier eine "nichtkorrelierte" Funktion im Zeitintervall der Dauer 2T vorliegt. Aus diesem Grunde nimmt man folgenden Ausdruck für die Phasenänderung im Vergleich zur Gleichung (1) an, um die Messungen der Änderung durchzuführen:

2 N B₁ ο L

(1 ♦

ß N

ßP PT

Dies Ergebnis, das im Vergleich zu der bekannten Anordnung von

Vorteil ist, gründet sich gänzlich auf den einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Phasenvergleiches.

Man hat Versuche und Messungen mit einer solchen Anordnung in einet» Medium durchgeführt. Das Eingangssignal war ein zweiphasiges Recht ecksignal mit einer Amplitude von 1 V zwischen den Dächern und das Signal s (t) des lokalen Taktgebers war ebenfalls ein Rechtecksignal von ungefähr 5 V. Die PCM-Modulation ermöglichte eine Länge von 511 bits mit einer Frequenz der Trägerwelle von 1 kHz.

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ι Pie charakteristischen Werte der Schleife waren die folgenden: J

- Dämpfungsverhält-nis

- Eigenfrequenz CD = 28

» - Gewinn bei offener Schleife K = TO³

- Bandbreite des Rauschens 2B. s 30 Hz

- Gewinn des VCO = 164 Hz/V.

ι Werte

jMan erhält für die Phasenänderung (mit ß = 4/Tr- 2) jdie in dem in der Fig. 9 schraffierten Band zwischen den Kurven A¹ und B¹ liegen; die Kurve C¹ ist die theoretische Kurve. Die experimentelle Kurve Ex für die bit-Fehlerwahrscheinlichkeit ist in dar Fig. 10 dargestellt; man sieht, daß sie ziemlich nahe der theoretischen Kurve Th liegt.

In den Fig. 11 und 12 sind die graphischen Aufzeichnungen wiedergegeben, die die transitorischen Phasenfehler zeigen.

Aus der Analyse der Aufzeichnungen wird deutlich, daß die Bestimmungszeit für die Phase kleiner oder gleich 200 ms ist. was in Über einstimmung mit der theoretischen Gleichung steht.

Die hervorragenden Ergebnisse der erfindungsgemäßen Dekommutieranordnung hinsichtlich ihrer Arbeitsweise können dem Zusammenwirken !mehrerer Faktoren zugeordnet werden, die alle zu einer Vermeidung von Energieverlusten der benutzten Informationssignale führen: Jin erster Linie die Wahl der Anordnung, nämlich eines einzigen Phasenvergleichers ohne eine besondere Hilfseingangseinrichtung; in zweiter Linie die Realisierung des Phasenvergleichers in ~_n

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zwei Abschnitten, von denen der eine speichert, während dar andere integriert und umgekehrt;

in dritter Linie in der geeigneten Auswahl der 2eitpunkte und der Integrationsdauer und ihrer geeigneten gegenseitigen Überlappung (gleichT/2) in einem Kettenpaar;

in vierter Linie im Kommutiersystem und in der Auswahl der Zeitpunkte zu denen es arbeitet;

und schließlich in der guten Ausführung der Schaltkreise und ihrer Elemente.

Die in der Fig. 2 gezeigte Grundanordnung kann ohne Abänderung oder Zusatz für die Dekommutierung von PCM-Signalen dienen, die in NRZ oder zweiphasig kodiert sind. ..

Es ist klar, daß für die Dekommutierung der Signale NRZ die Multiplikatoren M. und M₂ in Fortfall kommen können, die bei zweiphasiger Kodierung nötig sind.

Für die Dekommutierung der in PSK kodierten Signale wird das in der Fig. 2 gezeigte Schema vervollständigt, und zwar wird das Teil A ergänzt, wie es in der in Teilfiguren 13a und. l_;3,_ffb_:,,unterteilten Figur 13 gezeigt ist. Die in der Fig. 13 dargestellte Anordnung arbeitet bei der Trägerfrequenz (T¹ ■ mT). Der Te^l A⁺ ist wie das Teil A aufgebaut und weist daher einen erfindungsgemäßen Phasenvergleicher auf, der aus vier Ketten E und L aufgebaut ist. Der Vergleicher erzeugt ein Phasenfehlersignal g , das den VCO steuert nachdem es der Fehlerspannung S hinzuaddiert ist, die von dem mit der bit-Frequenz arbeitenden Teil A erzeugt wird.

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Die Anordnung ermöglicht die Dekommutierung der Signale PSK, wie auch immer das Verhältnis m zwischen der Trägerwellenfrequenz mF und der bit-Frequenz F sein mag (i ist dabei eine positive ganzs Zahj) unter der Voraussetzung/daß Bedingung^ vom folgenden Typ zwischen den stetigen Gewinnen der Teile A und A⁺ erfüllt sind:

der Gewinn von A⁺ beträgt wenigstens das m-fache des Gewinns von A. .■'.·■■

In der Fig. 14 ist der Verlauf der Fehlercharakteristik der Phase (£ + £ ) für den folgenden Fall gezeigt:

m = 4, Gewinn von A⁺ gleich ofache des Gewinns von A db Charakteristik der nicht-linearen Elemente sei vom Typ y β x².

Die Anordnung hat aber nicht nur ihren Funktionsnutzen allein bei PSKj, sondern auch bei einer mit NRZ oder zweiphasig moduliertem Trägerwelle, wobei die Taktfrequenz der Trägerwelle einTeilvielfaches des Taktes der Informationszeichen ist; die Kontakte der Schalter müssen nur in die in den folgenden Tabellen angegebenen Lagen gebracht werden: '

NRZ-Betrieb bei der Frequenz F

Schalter	Ao	Lage 1
M	Bo-B Ό	1V. 2
Il	Co	11 1
1»	Do	"■ -2
ti	Lo	" 2
Il	Ko	11 2 ...-■■-
Il	Eo.	·» 2
H	Go	"1

-22-

309824/1000

Schalter	Ao
ti	Bo-B'o
It	Co
Il	Do
• I	Lo
Il	Ko
tt	Eo

NRZ-Betrieb bei der Frequenz mF

Lage 1

ti	1
It	1
tt	2
Il	1
Il	1
tt	1

Go

Schalter	Ao
Il	Bo-Bb
Il	Co
It	Do
ti	Lo
ti	Ko
Il	Eo
Il	Go

Zweiphasiger Betrieb bei der Frequenz mF

Lage 1

■t	1
Il	2
Il	1
ti	1
It	1
Il	1
Il	2

PSK-Betrieb (mF/F)

Schalter	Ao
Il	Bo-B1O
Il	Co
Il	Do
Il	Lo
M	Ko
Il	Eo
•I	Go

Lage	1
tt	1
Il	2
Il	1
tt	2
It	2
Il	1
Il	1

Man sieht,daß beim Zweiphasen-Betrieb mit der Frequenz F als Multiplikator M4 ein Multiplikator im BiI A⁺ zugeschaltet wird'.

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In diesem Fall sind die,Teile A und A vom Funktionsstandpunkt aus gesehen vollkommen identisch (dies ist nicht im Schema der Fig. 13 dargestellt worden).

Der Vollständigkeit halber sollen nun noch weitere Einzelheiten der Realisierung der er findttngs gemäßen Anordnungen mitgeteilt wer den.

Die Kommutatoren sind vorzugsweise elektronische Schalter.

Die Integratoren werden in vorteilhafter Weise nach dem in der. Fig.15 gezeigten Schema mit den dort angegebenen Werten realisiert A.. bezeichnet einen üblichen integrierten Verstärker. RAZ bezeichnet die Nulleinstellung. Vg bezeichnet die Klemme für die Eingangs spannung und die Klemmen Int. und Item., sind jeweils mit einem Integrator oder mit,einem.als Speicher wirkenden Element (einem anderen Integrator) verbunden.

Die Fig. 16 zeigt, wie die Eingangsschaltung für den Summierer aufgebaut sein kann. A₂ bezeichnet wieder einen integriert aufgebauten üblichen assymmetrischen Verstärker, der kein Differential Verstärker ist, wie die vorangegangenen Blockschaltbilder (Fig. 2 und 13 ) glauben machen könnten. Die eine Eingangsklemme des Verstärkers ist über den Widerstand Req. geerdet. Man wählt nun eine einzige Klemme des Verstärkers für die Signale von geeigneter Polarität aus. Die von den Integratoren erzeugten und durch die nicht-linearen Elemente geführten Signale werden auf die Basiselektroden der Transistoren Q₁ gelegt. Die Feldeffekt- -24-

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transistoren Q- wirken unter dem Einfluß der an die Klemmen I , I. und I₄ gelegten Signale des lokalen Taktgebers wie Schalter. Die Daten der verwendeten Bauelemente sind der Fig. 16 beigefügt.

Bs ist klar, daß die beschriebenen Ausführungsbeigpiele nicht alle möglichen Ausführungsformen sind, sondern vielmehr Änderungen vorgenommen werden können, ohne die Grundidee der Erfindung zu verlassen.

Zum Schluß sollen noch einmal in einer Zusammenstellung die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung aufgeführt werden:

a) Realisierung der Prinzipschaltungen: Einfachheit und Betriebssicherheit der Schaltkreise; Regulierungen sind auf ein Minimum reduziert (sie treten nur bei der Feineinstellung auf);

Robuste Ausführungsformen und gutes Temperaturverhalten sind

möglich;

Gewicht, Energiebedarf und Raumbedarf sind reduziert;

eine Realisierung mit einer großen Anzahl von standadisierten

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und mehreren identischen Ketten ist möglich;

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Die Elemente sind austauschbar und ihre Wartung ist erleichtert

für weiterhin ist eine Realisierung Raumfahrzeuge möglich, da die Anordnung stoßfest und leicht ausgelegt werden kann im Vergleich zu einem schwereren Apparat mit mehreren Möglichkeiten auf dem Boden;

b) Funktionsweise und Schaltkreise:

Ein Wirkungsgrad in der Nähe des maximal möglichen -25-

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tfteoretischen Wirkungsgrades, gutes Betriebsverhalten im Rauschen; das Equivalentband der Schleife ist das größtmögliche für die Tirfassung der Synchronisation; das Aufheben der Phasenmehrdeutigkeit am Ausgang erfolgt automatisch und ohne zusätzliche Elemente für alle Codes; eine "universelle" Anordnung für die Messung, das dem optimal benutzten Code angepaßt werden kann (NRZ, zweiphasig usw.); man kann leicht ein veränderliches Verhältnis zwischen der Frequenz der Trägerwelle und der bit-Frequenz erreichen; wenn das Verhältnis fixiert ist, kann man es leicht ändern, indem man in der einen oder der anderen Divisionsstufe ausgehend von dem Taktgebersignal verzweigt; die erfindungsgemäße Anordnung nimmt unabhängig von der Signalart jedes Eingangssignal auf, d.h. im Gegensatz zu den bekannten Anordnungenist-am Eingang ein Begrenzer oder ein besonders berechnetes Filter nicht erforderlich; es wird nur ein Verstärker mit variabler Verstärkung zusammen mit einem ganz üblichen Filter vorgeschlagen, um die ersten Eingangsbauteile zu schützen und sie nicht unnützerweise durch Störungen aufzuladen;

es wird nur eine einzige Phasenschleife bei der bit-Taktfrequenlz in Kombination mit einem PhasencompaLrator bei der Trägerwellen-Taktfrequenz im Fall des PSK-Betriebs und in Kombination mit einem Phasenvergleicher bei der binären-Taktfrequenz in Falle der anderen Modulationen verwendet;

die Anordnung kann (weniger gut) mit einer einzigen Phäseneomparatarhälfte arbeiten;
man kann von einer Arbeitsweise (NRZ, zweiphasig, PSK) zu einer

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anderen durch eine einfache Umschaltung ohne Schwierigkeit und auch ohne Änderung der Taktfrequenz gelangen; die Phasenschleife des bit-Taktes ruht verriegelt sogar wenn ι eine bit-Änderung in der Eingangsbotschaft in der zweiphasigen Konfiguration oder besonders beim PSK-Betrieb nicht auftritt; I dies ist bei allen anderen entsprechenden bekannten Anordnungen; nicht der Fall.

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Claims (8)

1. Centre.National d¹Etudes

   Spatiales

   129, rue de l'Universite" 3. Dezember 1972

   F-75 Paris, France . Anwaltsakte M-2433"

   Patentansprüche

   Anordnung zur Dekommutation einer von thermischem Rauschen begleiteten unbestimmten Nachricht vom Typ PCM, welche Anordnung
   die Information in digitalisierter Form unter Steuerung eines
   bit-Detektors ohne Benutzung externer Taktgebersignale herausarbeitet, wobei die Anordnung zu diesem Zwecke wenigstens einen Phasenvergleicher oder eine ähnliche Einrichtung mit zwei parallel von der Nachricht gespeisten Ketten aufweist, von denen jede \ einen Integrator und ein nicht-lineares Element in Serie ge- ' schaltet besitzt, und wobei die Integratoren jeweils während j

   einer gleichlangen Zeitdauer einer Taktgeberperiode unter teil--

   i weiser Überlappung dieser Zeitdauern arbeiten, dadurch gekenn- I zeichnet, daß der Phasenvergleicher (A) Kommutierelemente auf- } weist, die von lokal erzeugten Taktgebersignalen angesteuert j werden und bei einer Frequenz arbeitest, dievein Teilvielfaches ι der Frequenz der Taktgebersignale ist, um die von den Integratoren CIg^,I_L|,I_E2»^i2^ *^{n e}i^{nem e}in^e ganzzahlige Anzahl von i Taktgebersignalen enthaltenden Zeitintervall erzeugten und wäh-i rend eines folgenden __o ■,

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   gleichen Zeitintervalls gespeicherten Signale abzugreifen _} um im Gegensatz zum bekannten Fehlarsignale zu erzeugenjwelche ihrerseits einen Oszillator (Vco) steuern, der die auf den Phasenvergleicher (λ)und den bit-Detektor(b)einwirkenden lokalen Taktgebersignale (Uhrsignale) erzeugt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleicher (A) zwei Kettenpaare (E₁,L.,E-,L-) aufweist, die in den Zeitintervallen arbeiten und von denen die eine der Nullstellung der Integratoren und darauf der Integration der Eingangssignale und die andere der Speicherung der zur Zeit der Integration im vorangegangenen Zeitintervall gewonnenen Information dient, wobei die Ketten am Ende eines der genannten Inter-

   valle ihre Rolle tauschen und dieser Tausch periodisch erfolgt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehleiisignale nach der Nullstellung der Integratoren am Ausgang des Phasenvergleichers(a)gebildet und bereit gestellt sind.
4. 4.Anordnung nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechende Integration in den beiden Ketten (E₁,L₁) eines Paares j

   bei einer Überlappungszeit von T/2 erfolgen, wobei T die Taktgeberperiode ist.
5. 5.Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie numerisch arbeitet und jeder Integrator ein Summierer und jedes nicht lineare Element vom "Modul"-Typ ist.

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6. 6« Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-linearen Elemente (NL^.. >NL ,NLg₂,NL^-^ Dioden sind* die mit einer unterschiedlichen Durchlaßrichtung einzeln in die Ketten (E.,L ;E₂,L₂) eines jeden Kettenpaares eingeschaltet s ind.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das auf den Ausgang eines Kettenpaäres geschaltete Element für die Differenzbildung aus den empfangenen Signalen zur Bildung von Fehlersignalen ein asymmetrischer Verstärker (A2) mit einer aktiven Eingangsklemme ist* dem Signale geeigneter Polarität zugeführt werden.
8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, zur Dekommütation (Entschlüsselung) einer mittels einer Trägerwelle übertragenen Nachricht, wobei deren Frequenz ein Teilvielfaches der Taktfre-

   quenz der Informations-bits ist, daduxh gekennzeichnet, daß zwei

   + ■ i

   Phasenvergleicher (A, A) gemäß Anspruch 2 vorgesehen sind, j von denen der eine (A ) im Takt (F) der bits und der andere (A) bei der Frequenz (mF) der Trägerwelle arbeitet, von jeder über einen Summierer und einen von diesem gespeisten Filter auf einei gemeinsamen lokalen Oszillator (VGO) arbeitet-, welcher seinerseits mit seiner Logik (L) zur Steuerung der beiden Phasenvergleicher auf diese und mit seiner Logik auf einen bit-Detektor einwirkt«

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