DE2611778A1

DE2611778A1 - Verfahren zum quantisieren und entscheidungsvorrichtung fuer empfaenger mehrpegeliger phasenmodulierter oder amplituden- und phasenmodulierter digitaler signale

Info

Publication number: DE2611778A1
Application number: DE19762611778
Authority: DE
Inventors: Renato Dogliotti; Umberto Mazzei
Original assignee: CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni SpA
Current assignee: Telecom Italia SpA
Priority date: 1975-03-27
Filing date: 1976-03-19
Publication date: 1976-09-30
Also published as: GB1530417A; DE2611778B2; DE2611778C3; US4076956A; IT1030453B

Description

CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni s.p.a.

Turin, Italien

Verfahren zum Quantisieren und Entscheidungsvorrichtung für Empfänger mehrpegeliger phasenmodulierter oder amplituden- und phasenmodulierter digitaler Signale

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Quantisieren digitaler mehrpegeliger phasenmodulierter Signale (PSK) oder amplituden- und phasenmodulierter Signale (AM-PSK) auf zweidimensionale Weise auf der Basis von sowohl über den Grundphasenkanal als auch über den Quadraturphasenkanal empfangenen Informationen, und auf eine Entscheidungsvorrichtung für Empfänger der mehrpegeligen phasenmodulierten oder amplituden- und phasenmodulierten digitalen Signale, die auf der Basis zweier nicht unabhängiger Informationssignale arbeitet, die auf zwei Quadraturkanälen empfangen werden, und die die Operationen im Zusammenhang mit optimalen Entscheidungsbereichen durchführt.

Bei bekannten Empfängern, sowohl bei bereits in Verwendung befindlichen üblichen Empfängern als auch bei in der technischen Literatur beschriebenen Rückkopplungsempfängern, wird die Entscheidung aufgrund des Grundphasensignals unabhängig von der

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Entscheidung des Quadraturphasensignals durchgeführt.

Wenn auch diese Doppelentscheidung dann keinen wesentlichen Nachteil darstellt, wenn die Signale auf den beiden Kanälen voneinander unabhängig sind, also bei der Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM), wird sie doch erheblich nachteilig, wenn die Signale auf den beiden Kanälen nicht unabhängig voneinander sind. In diesem Fall zeigen die angegebenen Empfängertypen die folgenden in der Fachwelt bekannten Nachteile: bei üblichen Empfängern treten zwei Möglichkeiten von Entscheidungsfehlern auf, nämlich eine Möglichkeit jeden Kanal, die die endgültige Entscheidung beeinflussen können. Bei Rückkopplungsempfängern gibt es keine Möglichkeit einer zweckentsprechenden Interferenzkompensation.

Diese Probleme sollen von einem Empfänger gelöst werden, der die Entscheidung über das empfangene Signal nicht auf der Basis getrennter Entscheidungen auf den beiden Kanälen durchführt, sondern auf der Basis einer korrelierten Information, durch die gemeinsam die zweidimensionale Stellung des Signals definiert wird. Eine derartige Lösung ist von der Anmelderin bereits früher vorgeschlagen worden (P 25 44 124.1), wonach diese Theorie auf einen Rückkopplungsempfänger angewandt ist, der sowohl die Interferenz zwischen den Zeichen als auch die Interferenz zwischen den Kanälen der empfangenen Signale beseitigt.

Die zweidimensionale Signallokalisierung kann mit den üblichen Schaltungen nicht leicht durchgeführt werden, da sie, wie noch ausführlicher beschrieben wird, durch Identifizierung sogenannter "optimaler Entscheidungsbereiche¹¹ entschieden wird, die eine ganz unregelmäßige Geometrie aufweisen und genau den Charakteristiken des übertragenen Signals zugeordnet sind.

Diese Erfordernisse erfüllen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Entscheidungsvorrichtung, die mit Hilfe ganz

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einfacher, billiger und klein bauender Hilfsmittel die Signallokalisierung in zweidimensionaler Weise und auf der Basis der beiden auf den beiden Quadraturkanälen empfangenen Signale identifiziert und hierbei die optimalen Entscheidungsbereiche des Signals oder irgendwelche anderen beliebig bestimmten oder unregelmäßigen Bereiche berücksichtigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man für die Quantisierungsentscheidung die optimalen Signalempfangsbereiche in zwei Schritten identifiziert, indem man im ersten Schritt den optimalen Signalempfangsbereich unabhängig vom Quadranten, zu dem der Bereich gehört, identifiziert und im zweiten Schritt den Quadranten identifiziert und so ausgangsseitig das entschiedene Signal erhält, außerdem kann ausgangsseitig auch die Winkelfunktion der Phase des entschiedenen Signals abgegeben werden.

Die erfindurigsgemäße Entscheidungsvorrichtung kann ausgangsseitig außer dem quantisierten Signal die Winkelfunktionen des Signals selbst liefern, die im Fall eines Rückkopplungsempfängers notwendig sind. Außerdem kann sie besondere Überwachungssignale liefern. Sie ist mit üblichen Empfängern von achtpegeligen phasenmodulierten Signalen (PSK) oder amplituden- und phasenmodulierten Signalen (AM-PSK) verwendbar, bei denen sie die üblichen Schwellenschaltungen ersetzt. Sie ist in der Technik integrierter Schaltkreise aufbaubar, die die Verarbeitung von Informationsflüssen mit sehr hoher Geschwindigkeit ermöglichen, nämlich nach gegenwärtigem technischem Entwicklungsstand in der Größenordnung von Mbaud.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

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Fig. 1 ein Diagramm zur Darstellung der Lage der Informationspegel für den Fall einer achtpegeligen Phasenmodulation;

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der möglichen Stellung von Informationspegeln für den Fall einer achtpegeligen Amplituden-Phasenmodulation (AM-PSK);

Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer bestimmten Stellung und Form optimaler Signalentscheidungsbereiche für den Fall einer achtpegeligen Phasenmodulation (PSK);

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer bestimmten Stellung und Form der optimalen Signalentscheidungsbereiche für den Fall einer achtpegeligen Amplituda*-Phasen-Modulation (AM-PSK); und

Fig. 5 einen Blockschaltplan einer erfindungsgemäßen Entscheidungsvorrichtung .

Ein phasenmoduliertes Signal (PSK) hat gemäß Fig. 1 acht Pegel A, B, C, D, E, F, G, H und ein amplituden- und phasenmoduliertes Signal (AM-PSK) gemäß Fig. 2 acht Pegel A¹, B¹, C, D¹, E¹, F¹, G', H¹. Bekanntlich nehmen jedoch die den Empfänger erreichenden Signale nie genau die in den Figuren 1 und 2 angegebenen Stellungen ein, da unvermeidliche Leitungsstörungen Signalverzerrungen verursachen. Die Signale liegen mehr oder weniger nahe bei den Stellungen A, B,...., H bzw. A', B¹,....,H¹. Es ist nur möglich, die Ebene in Zonen ideal einzuteilen, in denen die Wahrscheinlichkeit, die verschiedenen Signale aufzufinden, höher ist. Diese Zonen werden als "optimale Bereiche" bezeichnet. Diese optimalen Bereiche können nicht immer theoretisch abgegrenzt werden, da sie, wie erwähnt, streng von den Charakteristiken des Übertragungssystems abhängen, also von der Natur und den statistischen Eigenschaften der die Signale entlang der Leitung verzerrenden Störungen. Außerdem hängen diese Bereiche ersichtlich von

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den zu optimierenden Kriterien ab, beispielsweise der Minimalisierung der mittleren übertragenen Leistung oder der Minimalisierung der Spitzenleistung.

Eine Theorie, mit deren Hilfe die optimalen Bereiche bestimmt werden können, ist für die häufiger betrachteten Fälle untersucht worden, nämlich wenn nur thermisches Rauschen mit Gauss' sehen Charakteristiken vorliegt. In diesem Falle sind die optimalen Bereiche für jeden Quadranten diejenigen Zonen, die von den Achsen von Segmenten begrenzt sind, die durch Verbindung zweier aufeinanderfolgender Signalpegel mit einer geraden Linie erhalten werden. Wird die Phasenmodulation (PSK) nach Fig. 1 betrachtet, so ist die Achse des Segments AE eine mit r bezeichnete Linie und die Achse des Segments EB eine mit s bezeichnete Linie (Fig.3), es werden infolgedessen im ersten Quadranten WinkelSektoren xOr, rös und sOy erhalten, die die optimalen Bereiche für die Signale A, E, bzw. B darstellen. In diesem Fall ist es klar, daß die Begrenzungslinien r und s der optimalen Bereiche mit den Winkelhalbierenden der Winkel xOz bzw.

zOy zusammenfallen.

Bei der Amplituden-Phasen-Modulation nach Fig. 2 stellt eine Linie ρ (Fig.4) die Achse des Segments A¹E¹ dar, während eine Linie q die Achse des Segments E¹B¹ ist. Die Linien ρ und q schneiden sich in einem Punkt P auf einer Achse z. In diesem Fall sind im ersten Quadranten die optimalen Bereiche Z1, Z2 und Z3 folgendermaßen begrenzt: Der Bereich Z1, also der optimale Bereich für das Signal A¹ für die den ersten Quadranten betreffende Komponente, ist begrenzt durch Linien z, p, x; der Bereich Z2, also der optimale Bereich für das Signal E¹, ist durch Linien p, q, y, χ begrenzt; und der Bereich Z3, also der optimale Bereich für das Signal B¹ für die den ersten Quadranten betreffende Komponente, ist durch die Linien y, q, ζ begrenzt.

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Die Anordnungen nach den Fig. 3 und 4 gelten auch für die übrigen drei Quadranten, die in der Ebene durch die Achsen χ und y erhalten werden. Im einzelnen wird aufgrund der Symmetrie der Bereich des Winkels xOr (Fig.3) symmetrisch um die Achse χ gedoppelt und der Bereich des Winkels sOy symmetrisch um die Achse y gedoppelt. Analog wird der Bereich Z1 nach Fig. 4 symmetrisch um die Achse χ gedoppelt und der Bereich Z3 symmetrisch um die Achse y gedoppelt.

Für Übertragungsleitungen, die von anderen Arten von Störungen beeinflußt werden, kann das Muster der optimalen Bereiche eine andere und auch geometrisch komplexere Konfiguration haben, die oft nur experimentell bestimmbar ist. Die Unregelmäßigkeit der optimalen Signalbereiche, beispielsweise derjenigen nach Fig. 4, zeigt die erwähnte erhebliche Schwierigkeit bei der Identifizierung der Signale mit Hilfe üblicher Schaltungen.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Entscheidungsschaltung, die diese Bereiche identifizieren kann, indem sie spezielle Festwertspeicher verwendet.

Zwei übliche Analog-Digital-Umsetzer AD1 und AD2 geben ausgangsseitig die Binärkonfiguration einer Signalabtastung an, beispielsweise sieben Bits für den Modulus und ein Bit für das Vorzeichen. Schaltungen AR1 und AR2 reduzieren die sieben Bits des empfangenen Worts auf sechs Bits. Übliche Dekoder DEX und DEY können einen ihrer jeweils 64 Ausgänge jeder der empfangenen Sechs-Bits-Konfigurationen zuordnen. Zwei weitere Dekoder SN1 und SN2 können jeder empfangenen Zwei-Bit-Konfiguration einen ihrer jeweils vier Ausgänge zuordnen. Ein üblicher Festwertspeicher R0M1 weist einen Matrixaufbau von 64 . 64 Zwei-Bit-Wörtern auf und die betreffenden Zellen werden gleichzeitig von Signalen adressiert, die von den Dekodern DEX und DEY ausgehen.

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Ein zweiter Festwertspeicher R0M2 hat einen Matrixaufbau von 4 . 4 Wörtern. Die Länge der im Festwertspeicher ROM2 gespeicherten Wörter ändert sich entsprechend der ausgangsseitig geforderten Information.

Genauer dargestellt: Wenn die beschriebene Entscheidungsvorrichtung in einen üblichen Empfänger, also ohne Rückkopplung, eingebaut ist, so werden die gespeicherten Wörter durch drei Bits gebildet, welche ausreichen, um die acht Werte entsprechend den acht Pegeln des empfangenen Signals festzustellen. Ist jedoch die Entscheidungsvorrichtung in einen Empfänger mit einer Rückkopplungsschaltung eingebaut, so müssen die gespeicherten Wörter eine ausreichende Länge haben, um außer den drei erwähnten Bits auch die Zahl m von Bits zu enthalten, die zur Angabe der trigonometrischen Funktionen, beispielsweise sin und cos, des Winkels der empfangenen Phase notwendig ist. Der Wert m kann sich entsprechend der von der Rückkopplungsschaltung geforderten Genauigkeit ändern.

Die so aufgebaute Entscheidungsvorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Auf Leitern 1 bzw. 2 treffen Analogsignale ein, die von zwei üblichen (nicht dargestellten) Demodulatoren eines Grundphasensignals bzw. eines Quadraturphasensignals kommen und den Analog-Digital-Umsetzern AD1 bzw. AD2 eingespeist werden, welche ausgangsseitig zu jeder Signalperiode ein aus acht Bits gebildetes Wort abgeben, nämlich sieben Bits für den Modulus und eines für das Vorzeichen. Dieses Wort gibt den Binärwert des abgegriffenen demodulierten Signals an.

Die von den Schaltungen AR1 und AR2 auf sechs Bits reduzierten sieben Bits des Modulus erreichen die Dekoder DEX und DEY über Verbindungen 3 bzw. 4, wodurch jeweils einer von deren Ausgängen

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1, 2, 3,....,64 bzw. 101, 102, 103,....164 erregt wird. Da die sechs Bits der Eingangswörter 64 mögliche Konfigurationen annehmen können, beträgt die Zahl der Ausgänge der Dekoder DEX und DEY sowie der Zeilen und der Spalten des Speichers R0M1 64.

Im Festwertspeicher R0M1 wird die adressierte Zelle auf ein Taktsignal CK1 hin ausgel e sen. In dieser Zelle ist das Zwei-Bit-Wort gespeichert, das unabhängig vom Quadranten einen der drei Entscheidungsbereiche Z1, Z2, Z3 (Fig.4) identifiziert. Der Quadrant wird anschließend durch das Vorzeichenbit identifiziert, wie noch beschrieben wird.

Die Ausgangsleitung vom Speicher R0M1 stellt eine aus zwei Leitern bestehende Verbindung 5 dar. Die über die Verbindung 5 an den Dekoder SN2 gemeldete Zwei-Bit-Konfiguration wählt einen von dessen Ausgängen 201, 202, 203, 204. Die Ausgänge 201, 202, entsprechen so vielen optimalen Bereichen, als jeder Quadrant aufweist, beispielsweise den Bereichen Z1, Z2, Z3. Das Erregen eines dieser Ausgänge befähigt die entsprechende vierzeilige Spalte des Speichers R0M2 zum Auslesen, wobei in diesen vier Zellen die Werte gespeichert sind, die vom zum identifizierten Bereich gehörenden Signal in den vier Quadranten vermutet werden.

Der Ausgang 204 liefert ausgangsseitig einige mögliche Informationen, die für operative Überwachungsvorgänge nützlich sein mögen. Er kann mit äußeren Schaltungsanordnungen verbunden sein oder kann die vierte Spalte des Speichers R0M_2 ansteuern, die in geeigneter Weise mit der notwendigen Information vorbespeichert ist.

Die von den Umsetzern AD1 und AD2 ausgehenden Vorzeichenbits werden durch Leiter 6 bzw. 7 zum Dekoder SN1 geleitet. Sie bilden eine Konfiguration, durch die im Dekoder SN1 einer seiner Ausgänge 301, 302, 303, 304 gewählt wird. Es besteht eine in beiden Richtungen eindeutige Zuordnung zwischen diesen vier Aus-

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gangen und den vier Quadranten der Ebene: ein in einem bestimmten Quadranten enthaltenes Signal steuert die diesem Quadranten zugeordnete Zeile des Speichers R0M2 an. Ersichtlich identifizieren gemäß der üblichen Technik von Matrixspeichern die von SN1 und SN2 ausgehenden gleichzeitigen Signale nur eine einzige Zelle, nämlich die mit dem Signalwert, der sich auf den Optimalbereich bezieht, und den zu identifizierenden Quadranten beziehende Zelle.

Auf ein Taktsignal CK2 hin wird das soeben adressierte Drei-Bit-Wort ausgelesen, das, wie schon gesagt wurde, einen der optimalen Entscheidungsbereiche oder einfach das zugeordnete Signal angibt. Das Wort läuft auf einer Verbindung 8 aus.

Im Fall eines Rückkopplungsempfängers werden im Festwertspeicher R0M2 zusammen mit diesem Drei-Bit-Wort die m-Bit-Wörter gelesen, die die Funktion sin und cos des Winkels der entschiedenen Phase angeben. Diese m-Bit-Wörter laufen auf Verbindungen 9 bzw. 10 zu in der Zeichnung nicht dargestellten Rückkopplungsschaltungen .

Wie ersichtlich, wird die Entscheidung über die Signale in zwei Schritten ausgeführt. Zuerst wird durch R0M1 der Bereich unabhängig vom Quadranten identifiziert und sodann werden durch R0M2 sowohl der Quadrant als auch das Signal mit seiner Winkelfunktion identifiziert.

Der Speicheraufbau in zwei Blöcken erlaubt zunächst eine Verminderung der Speicherkapazität, was sehr bedeutungsvoll ist, wenn die Entscheidungsvorrichtung einem Empfänger mit einer Rückkopplungsschaltung zugeteilt wird, die die Aufzeichnung von m-Bit-Wörtern über die Winkelfunktion erfordert. Außerdem erlaubt dieser Aufbau eine erhebliche Flexibilität der Vorrichtung, da eine Änderung in der Geometrie der Bereiche etwa aufgrund

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einer Verwendung des Empfängers mit verschiedenen Kanälen, die durch unterschiedliche Störungen gekennzeichnet sind, nur eine Änderung des Festwertspeichers R0M1 bedingt. Eine Änderung im Dekodiersystem der übertragenen Symbole oder eine Änderung in den notwendigen Winkelfunktionen oder selbst eine Änderung in den Funktionen erfordern nur einen entsprechenden Austausch der Einspeicherung des Festwertspeichers R0M2.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

\ J Verfahren zum Quantisieren digitaler mehrpegeliger phasenmodulierter Signale (PSK) oder amplituden- und phasenmodulierter Signale (AM-PSK) auf zweidimensionale Weise auf der Basis von sowohl über den Grundphasenkanal als auch über den Quadraturphasenkanal empfangenen Informationen, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Quantisierungsentscheidung die optimalen Signalempfangsbereiche (Z1, Z2, Z3) in zwei Schritten identifiziert, indem man im ersten Schritt den optimalen Signalempfangsbereich unabhängig vbm Quadranten, zu dem der Bereich gehört, identifiziert und im zweiten Schritt den Quadranten identifiziert und so ausgangsseitig das entschiedene Signal erhält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem zweiten Schritt der Identifizierung der optimalen Bereiche ausgangsseitig sowohl das entschiedene Signal als auch die Winkelfunktionen der Phase dieses Signals abnimmt.
3. Entscheidungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schritt der Identifizierung der optimalen Bereiche (Z1, Z2,Z3) mit Hilfe eines Festwertspeichers (R0M1) durchgeführt wird, der eine Matrixstruktur mit so vielen Zeilen, als es mögliche Konfigurationen der Binär-Ziffern gibt, die das am Grundphasenkanal empfangene Signal wiedergeben, und so vielen Spalten, als es mögliche Konfigurationen der Binärziffern gibt, die das am Quadraturphasenkanal empfangene Signal wiedergeben, aufweist, und daß in jeder Zelle dieses Speichers (R0M1) ein Wort gespeichert ist, das einen der möglichen optimalen Ent-

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Scheidungsbereiche des· Signals, dessen Grundphasenkomponente und Quadraturkomponente die Zelle gewählt haben, unabhängig vom Quadranten identifiziert, und so der Speicher (R0M1) ausgangsseitig auf ein Auslesesignal (CK1) die betreffende Bit-Konfiguration abgibt.
4. Entscheidungsvorrichtung nach Anspruch 3 für eine achtpegelige Modulation, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der Zellen dieses Festwertspeichers (R0M1) ein Zwei-Bit-Wort gespeichert ist und die einzelnen gespeicherten Wörter einen der drei optimalen Entscheidungsbereiche je Quadrant angeben.
5. Entscheidungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Festwertspeicher (R0M1) gleichzeitig durch einen ersten Dekoder (DEX) und einen zweiten Dekoder (DEY) adressiert wird, von denen der erste Dekoder (DEX) im Festwertspeicher (R0M1) die der das Grundphasensignal wiedergebenden Bitkonfiguration zugeordnete Zeile erregt und der zweite Dekoder (DEY) im Festwertspeicher (R0M1) die der das Quadratursignal wiedergebenden Bitkonfiguration zugeordnete Spalte erregt.
6. Entscheidungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem den ersten Schritt der Identifizierung durchführenden ersten Festwertspeicher (R0M1) für den zweiten diese optimalen Bereiche (Z1, Z2, Z3) identifizierenden Schritt ein zweiter Festwertspeicher (R0M2) vorhanden ist, der einen Matrixaufbau mit wenigstens vier Zeilen, die den vier Symmetriequadranten der Signalphasen entsprechen, und mit wenigstens ebensovielen Spalten, als es optimale Empfangsbereiche des Signals gibt, aufweist und in jeder Zelle ein den Wert des entschiedenen Signals in Absolutwert und Vorzeichen angebendes Wort gespeichert enthält.

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7. Entscheidungsvorrichtung nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Zelle des zweiten Festwertspeichers (R0M2) ein Drei-Bit-Wort gespeichert ist.
8. Entscheidungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Zellen des zweiten Festwertspeichers (R0M2) außer dem den Wert des entschiedenen Signals angebenden Wort ein den Wert der trigonometrischen Funktionen des auf die Phase des entschiedenen Signals bezogenen Winkels ausdrückendes Wort gespeichert ist.
9. Entscheidungsschaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Festwertspeicher (R0M2) gleichzeitig durch einen dritten Dekoder (SN1) und einen vierten Dekoder (SN2) adressiert wird, von denen der dritte Dekoder (SN1) die der von den Vorzeichenbits des Grundphasensignals und des Quadratursignals gebildeten Bitkonfiguration zugeordnete Zeile des zweiten Festwertspeichers (R0M2) erregt und der vierte Dekoder (SN2) die dem optimalen Bereich des Signals, das vom vom ersten Festwertspeicher (R0M1) ausgehenden Wort festgestellt ist, zugeordnete Spalte des zweiten Festwertspeichers (R0M2) erregt.
10. Entscheidungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Festwertspeicher (R0M2) eine weitere Spalte für Prüf- und Überwachungsfunktionen enthält,- die durch über den vierten Dekoder (SN2) beförderte Signale angesteuert wird.