DE2628997A1 - System zum empfang frequenzmodulierter digitaler nachrichtensignale - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen:

Berlin und München VPA 7ß ρ 6 6 4 7

System zum Empfang frequenzmodulierter digitaler Nachrichtensignale

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum Empfang digitaler Nachrichtensignale, die in Form einer Frequenzmodulation einem Träger aufgeprägt sind, in einem reflexionsfreien Ausbreitungsmedium, insbesondere für den Empfang bei mobilen Stationen, Veitverkehr und Streustrahlverbindungen.

Bei digitalen Nachrichtenübertragungssystemen ist unter stark gestörten Ausbreitungsbedingungen (Mehrwegeausbreitung) die Reichweite näherungsweise umgekehrt proportional zur Höhe der zu übertragenden Bitrate. Den die Reichweite bestimmenden Grenzfall stellt die totale Informationsauslöschung dar, bei der die Modulationszeichen infolge der durch die Umwegedifferenzen der reflektierten Trägerwellen verursachten Laufzeitdifferenzen gegenphasig am Empfangsort eintreffen und sich gegenseitig auslöschen. In einem weiten Bereich schon vor diesem Grenzfall treten bereits teilweise Informationsverluste durch Laufzeit- und Amplitudenverzerrungen auf, die zu sehr hohen Fehlerraten in der Übertragung führen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den letzterwähnten Fall eine erhebliche Verbesserung der Übertragungsqualität herbeizuführen, d.h. letztlich eine Verbesserung der Reichweite von digitalen Nachrichtensystemen mit Frequenzmodulation, insbesondere zwischen mobilen Stationen und bei sich ständig verändernder Ausbreitungssituation zu erzielen.

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Diese Aufgabe wird bei einem System zum Empfang digitaler Nachrichtensignale, die in Form einer Frequenzmodulation einem Träger aufgeprägt sind, in einem reflexionsbehafteten Ausbreitungsmedium, insbesondere für den Empfang bei mobilen Stationen, Weitverkehr und Streustrahlverbindungen, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die durch Phasen- und Amplitudenverzerrungen verursachten Informationsverluste ihrer Ursache nach in zwei sich ergänzenden Anordnungen automatisch erfaßt werden, von denen die eine ein Frequenzdiskriminator ist, dem eine Einrichtung zum Erkennen von durch P.eflexionsverzerrungen verursachten Störspitzen nachgeschaltet ist, und einer Schaltung, die diese Störspitzen ausgleicht, ferner ein Amplitudendemodulator, der dem Frequenzdemodulator in einem anderen Zweig parallel geschaltet ist, und daß die Ausgänge beider Demodulatoren auf einen Umschalter geführt sind, der von einer Amplitudenmodulations-Auswertevorrichtung gesteuert wird und der bei erkennbarer Amplitudenmodulation genügender Größe den Amplitudendemodulator und bei erkennbarer Frequenzmodulation den Frequenzdiskriminator samt Störspitzenerkenner auf einen gemeinsamen Ausgang schaltet, daß ferner dem Ausgang des AM-Demodulators ein Polarisationsinverter nachgeschaltet ist, der von einem Polarisationsintegrator gesteuert, das AM-Demodulationsprodukt abhängig von der Höhe des FM-Demodulaticnsproduktes im Sinne polaritätsrichtiger AM-Demodulation umsteuert.

Durch dieses Empfangssystem wird eine erhebliche Verbesserung der Übertragungsqualität und der Reichweite digitalisierter Nachrichten in Form von binärer Frequenzmodulation erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Empfangssystems sind in den Ansprüchen 2 bis 6 enthalten.

Nachstehend wird die Erfindung mit ihren Vorteilen anhand von Figuren näher erläutert.

Bei allen abgebundenen Funksystemen treten, abhängig von den topographischen Gegebenheiten, Mehrwegewellenausbreitungen auf,

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die insbesondere bei der mobilen Übertragung digitaler frequenzmodulierter Datenströme, besonders bei Verwendung von Rundstrahlantennen, unter bestimmten Umständen zu schwerwiegenden Empfangsstörungen führen. Die von der Sendeantenne abgestrahlten Wellenfronten treffen dabei aufgrund von Reflexionen aus verschiedenen Richtungen mit unterschiedlichen Laufzeiten auf die Empfangsantenne. Infolge der vektoriellen Addition dieser Wellenfronten am Empfangsort erleidet die Antennenfußpunktspannung einen sowohl frequenzabhängigen als auch ortsabhängigen Amplituden- und Phasengang (Minima und Maxima). Für viele Frequenzen und Orte bedeutet diese Energieverteilung infolge der durch sie verursachten Verzerrungen und EnergieabSenkungen (Minima) den Verlust der Lesbarkeit digitaler Empfangssignale.

Zur grundsätzlichen Erläuterung der durch Mehrwegeausbreitung verursachten Verzerrungen ist es zweckmäßig, die Ortungspunkte von Sender und Empfänger zunächst fest zu wählen. Hierdurch wird die ortsabhängige Energieverteilung aus der Betrachtung eliminiert und es bleibt lediglich noch die frequenzabhängige Energieverteilung bestehen.

Sobald die Laufzeitunterschiede der am Empfangsort einfallenden Wellenfronten des direkten Strahls U, und des Umwegstrahles U in die Größenordnung der Bitdauer kommen (etwa^t =0,1 bis 0,7 · ^ν,ΐ+) > wird der Frequenzabstand der Minima der Verteilungscharakteristik so klein, daß die Energie des Empfangssignals bereits innerhalb des Modulationshubs mit der Modulationsgeschwindigkeit und abhängig von der Radiofrequenz iO_Qt und der Tiefe der Minima fast beliebig schwanken kann.

Eine Folge dieser durch die vektorielle Addition der einfallenden Signale verursachten EnergieSchwankungen, die im Amplitudenbegrenzer des Empfangssystems vor der Demodulation wieder eliminiert werden, sind die bei der vektoriellen Addition zwangsläufig entstehenden schnellen Phasenänderungen des resultierenden Signales. Diese schnellen Phasenänderungen können natur-

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gemäß durch den Amplitudenbegrenzer nicht unterdrückt werden und erzeugen deshalb am Ausgang des FM-Demodulators eine bitsynchrone Störmodulation. Diese Störmodulation kann in ihrer Größe die Nutzmodulation um ein Vielfaches übertreffen und macht damit die Lesbarkeit der Nutzmodulation zunichte.

Die maximale Phasengeschwindigkeit des resultierenden Vektors tritt in den Minima der Verteilungscharakteristik auf und ist umso größer, je tiefer ein Minimum ist. Im Grenzfall, bei selektiver Totaleuslöschung, kann sie beliebig groß werden.

Abhängig davon, ob sich das Minimum innerhalb des Hubbereiches, der durch die beiden Eckfrequenzen definiert ist, oder außerhalb desselben befindet, treten zwei Störungsfälle mit charakteristischen Unterschieden auf.

a) Minimum außerhalb des Hubbereiches

Befindet sich das Minimum außerhalb des Hubbereiches, aber in der Nähe einer der beiden Eckfrequenzen, so wird die Empfangs-

D energie bei dieser Eckfrequenz relativ gering sein. Die Empfangsenergie bei der zweiten Eckfrequenz hingegen muß nun zwangsläufig höher sein, da sie dichter am nächsten Maximum liegt. Aus diesem Verhalten ergibt sich im Empfangssignal vor dem Begrenzer eine eindeutige bitsynchrone Amplitudenmodulation, deren Polung abhängig von der Lage des Minimums entweder in Gleichlage oder in Kehrlage zum ursprünglichen Modulationssignal ist. Die bei Frequenzmodulation übliche Begrenzung vor der Demodulation unterdrückt diese Amplitudenmodulation. Damit ist sie am Ausgang des Demodulators nicht wirksam. Wirksam

) hingegen wird die in der Nähe des Minimums bei Zeichenwechsel auftretende Phasenänderung, die sich am Ausgang des Demodulators als starke Zeichenverzerrung äußert.

Ein sehr wesentlicher Grenzfall dieses Betriebsverhaltens j ist erreicht, sobald die Energie bei einer der Eckfrequenzen das Eigenrauschen des Empfängers unterschreitet. Dies ist dann häufig der Fall, wenn das Funksystem in der Nähe der

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Grenzempfindlichkeit arbeitet oder das Minimum sich direkt auf der Eckfrequenz befindet, und sehr tief ist (selektive Totalauslöschung). Infolge des negativen Geräuschabstandes bei einer der Eckfrequenzen erscheint anstelle aller logischen Zeichen,die dieser Eckfrequenz entsprechen (Nullen oder Einsen), lediglich Rauschen am Begrenzer- und Demodulatorausgang. Das mit dem FM-Demodulator demodulierte Signal ist damit unbrauchbar geworden'. Das Empfangssignal vor dem Begrenzer besitzt aber auch hierbei eine bitsynchrone Amplitudenmodulation.

Die Dauer des Zustandes des Rauschens am Demodulatorausgang entspricht jeweils der Zeichenfolge des Modulationsdatenstromes. Da sich während eines langer als 1 bit dauernden Zeichens gleicher Aussage (Null oder Eins) die Empfangsfrequenz nicht verändert, und auch über alle Umwege die gleiche Frequenz am Empfangsort eintrifft, dieser Zustand also unverändert bis zum nächsten Zeichenwechsel erhalten bleibt, wird dieser Zustand als "statisch" bezeichnet. SignalVerluste, die auf dieses Erscheinungsbild zurückzuführen sind, werden nachfolgend als "Statische Auslöschungen" bezeichnet.

b) Definitionsgemäß wird der Zustand, bei dem das Minimum auf der Eckfrequenz liegt, als statische Auslöschung bezeichnet. Diese Definition gilt auch dann noch, wenn die Auslöschstelle bereits innerhalb des Hubbereiches, aber noch nahe an der Eckfrequenz liegt, da die Hubveränderungsgeschwindigkeit bei der aus Gründen der FreauenzÖkonomie üblichen weichen Tastung (cos -Übergang) in der Nähe der Eckfrequenzen sehr gering ist. Sobald sich aber das Minimum merklich der Mitte des Hubbereiches nähert, ändern sich die Verhältnisse folgendermaßen:

1) Die Phasenänderungsgeschwindigkeit im Minimum wird sehr groß. Die daraus resultierende momentane Frequenzablage am Begrenzer- und Demodulatorausgang wird ebenfalls sehr groß und erreicht ein Vielfaches des Nutzhubes. Die Dauer der Ablage hängt ab von der Modulationsgeschwindigkeit

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und der relativen Tiefe des Minimums. Da infolge dieses Zusammenhanges die Dauer.der Ablage immer kleiner als die Bitdauer sein muß, äußert sich die Ablage innerhalb eines Modulationszeichens (bits) als Spitze, deren Größe und Ausprägung von der Tiefe des Minimums abhängen. Innerhalb eines Zeichens kann mehr als eine Spitze auftreten (Regelfall bei kleinem Modulationsindex: max. 2 Spitzen entgegengesetzter Polung pro bit).

Die Verzerrungsspitzen treten aber nicht zwangsläufig innerhalb jedes Einzelbits auf, sondern nur bei Zeichenwechsel, da ausschließlich hierbei der Hubbereich durchlaufen wird. Aus diesem Grunde werden diese Verzerrungen des demodulierten Ausgangssignals als "Dynamische Verzerrungen" bezeichnet.

2) Sobald das Minimum sich der Mittenfrequenz merklich nähert, geht die Eindeutigkeit der bitsynchronen Amplitudenmodulation vor dem Begrenzer verloren.

Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, den Verlust der Lesbarkeit des Empfangssignals, der durch statische Auslöschung entsteht, durch Ausnutzung der vor dem Begrenzer auftretenden bitsynchronen Amplitudenmodulation in einer dafür geeigneten Anordnung dem statischen Entzerrer, weiterhin den Verlust der Lesbarkeit, der durch die dynamische Auslöschung entsteht, durch Austasten der Spitzen in einer dafür geeigneten Anordnung, dem dynamischen Entzerrer, die beide nachfolgend beschrieben werden, zu vermeiden.

Die vorhergehenden Ausführungen sollen nun zum besseren Verständnis anhand von Figuren und eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert werden.

In der Fig. 1 sind drei ausgeprägte Fälle I bis III einzeln dargestellt. Es sei zunächst der Fall I behandelt, bei dem der resultierende Vektor des Empfangssignals U __ bei der mittleren Radio-

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frequenz fm ein Minimum durchläuft und bei den beiden Eckfrequenzen des Hubbereichs f_Q und f.. damit etwa den gleichen Betrag hat. Sobald sich die momentane Frequenz f der Mittenfrequenz fm nähert, tritt neben dem Rückgang der resultierenden Amplitude U_res die damit zwangsweise verbundene Phasendrehung^ _s, d.h. ein entsprechender Phasensprung auf. Dieser innerhalb des Modulationsspektrums auftretende relativ kurzzeitige Phasensprung muß sich zwangsläufig als momentane Frequenzablage (djp/dt) oder entsprechende Laufzeitverzerrungen (dy/df) äußern und bedeutet eine der ursprünglichen Modulationsfunktion überlagerte Störfunktion, die bei jedem digitalen Zeichenwechsel auftritt. Ein digitaler Zeichenwechsel durchfährt jeweils den gesamten Hubbereich.

In der Fig. 2 ist eine Gegenüberstellung zwischen dem ursprünglieh vorhandenen digitalen Datenstrom (oben binäre Frequenzmodulation mit zugehörigen Datenstrom) und der bei Auftreten der Störung nach I erhaltenen Störfunktion samt Modulation (unten) dargestellt. Man ersieht daraus, daß die im Frequenzdemodulator auftretenden Kubspitzen bei weitem die Spannungswerte der sogenannten Eckfrequenzen f_Q und f^, also den Maximälhub, überschreiten. Man kann jedoch bereits aus der Darstellung für den Fall I in der Fig. 1 entnehmen, daß das Zeichen prinzipiell an den Abfragepunkten jeweils in Bitmitte ohne weiteres lesbar ist.

Die Verhältnisse verändern sich gravierend, wenn man die Mittenfrequenz f verändert und z.B. auf den Wert f' bringt. Dies ist der Fall II in der Fig. 1 und er ist gleichbedeutend mit einer geringen Umwegeveränderung (<2) gegenüber Fall I. Nunmehr tritt die Auslöschung bzw. das Amplitudenminimum bei der Eckfrequenz f^' auf, und da die Modulationsfunktion gerade in diesem Zustand einen Umkehrpunkt hat (relativ niedrige Phasenänderungsgeschwindigkeit), treten hierbei keine sehr entscheidenden Störfunktionen auf. Ungleich gravierender aber ist die Tatsache , daß durch die merkliche Reduzierung der Empfangsspannung der Rauschabstand verringert und in vielen Fällen sogar negativ.wird (d.h. den minimalen Empfangspegel unterschreitet). Damit ist unweigerlich

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der Verlust der Lesbarkeit aller digitalen Zeichen "Eins" eingetreten und die damit verursachte Zwischenfehlerrate am Ausgang des FM-Demodulators sehr hoch.

Amplitudenmäßig ist das Zeichen jedoch prinzipiell lesbar, weil - bei allen Zeichen "Null" (f₀' in Fig. 1) der Empfangspegel deutlich höher ist als bei f ·.

Mit den Fällen I und II aus der Fig. 1 liegen zwei Grundtypen der Verzerrung vor, die im Nachfolgenden, soweit sie den Fall I betreffen (Auslöschung zwischen den Eckfrequenzen und damit Verzerrungen nur bei Zeichenwechsel), "dynamische Auslöschung" genannt werden. Soweit sie Fall II betreffen (Auslöschung auf der Eckfrequenz und damit Verlust der Lesbarkeit eines der beiden digitalen Zustände, der bis zum nächsten Zeichenwechsel andauert), sollen sie "statische Auslöschung" genannt werden.

Statische Auslöschung kann ihrer Natur nach immer nur dann auftreten, wenn eine der beiden Eckfrequenzen relativ exakt auf der Auslöschstelle sitzt. Dynamische Auslöschung hingegen tritt auf, sobald sich die Auslöschstelle zwischen den beiden Eckfrequenzen f_Q und f₁ befindet. Damit gehen die dynamische Auslöschung und die statische Auslöschung durch Veränderung der Lage des Minimums zum Spektrum ineinander über.

Ein relativ unproblematischer Fall bei Mehrwegeausbreitung ist bei Betrieb der Mittenfrequenz f direkt auf der Additionsstelle gegeben, z.B. im Fall III der Fig. 1. Hierbei treten weder merkliehe Amplitudenverzerrungen, noch Laufzeitverzerrungen innerhalb der Eckfrequenzen fg¹ und f^" auf. Das frequenzmodulierte Signal ist dabei praktisch unverzerrt.

Die Verhältnisse nach Fig. 1 gelten für feste Standorte von Sender und Empfänger und stellen eine frequenzabhängige Amplituden- und Phasenverteilung dar. Im allgemeinen kann man sagen, daß die Verhältnisse für die Dauer eines Gesprächs auf einer

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Frequenz konstant bleiben, sofern nur ortsfeste Reflektoren und keine mobilen Reflektoren (z-.B. Flugzeuge) am Ausbreitungsgeschehen beteiligt sind, womit man in den weitaus meisten Fällen rechnen kann. Bei Fahrbetrieb tritt neben der frequenzmäßigen Verteilung der Amplituden- und Phasencharakteristik auch die räumliche Verteilung dieser Parameter im Gelände merklich auf. Die räumliche Verteilung steht direkt mit der Wellenlänge der Radiofrequenz in Relation. Im Grenzfall ist deshalb der Abstand zwischen zwei Minima entsprechend der halben Wellenlänge (z.B. bei f = 300 MHz = ~\/2 = 0,5 m). Die Antenne eines sich mit 36 km/Std. =10 m/sec bewegenden Fahrzeugs wird demnach pro Sekunde 20 Minima durchfahren. Um sich ein plausibles Bild von den verzerrungsmäßigen Konsequenzen zu machen, ist es zweckmäßig, in Bild 1 die Frequenzachse durch eine Zeitachse zu ersetzen und das in I dargestellte Modulationsband f_Q und f,. mit einer solchen Geschwindigkeit z.B. nach rechts zu verschieben, daß die Zeiten zum Durchlaufen einer Amplituden- und Phasenwelle 1/20 see. dauert bzw. 20 solche Wellen pro Sekunde mit gleichförmiger Geschwindigkeit durchlaufen werden. Aus den vorgenannten Erkenntnissen läßt sich nun folgern, daß bei Fahrbetrieb die aus Fig. 1 abgeleiteten Fälle der statischen und dynamischen Auslöschung (Fall I und Fall II) sowie auch der Fall III, bei dem keine FM-Verzerrung auftritt, in schneller Folge, entsprechend des Durchfahrens der räumlichen Verteilung, ineinander übergehen und sich mit entsprechender Periodizität wiederholen.

Anschließend soll nun ein Verfahren angegeben werden, bei dem die Erkennbarkeit der Digitalzeichen in jedem der Fälle I bis III weitgehend sichergestellt ist. Man muß dabei davon ausgehen, daß neben der Wirtschaftlichkeit ein Entzerrungsverfahren angegeben werden soll, das vor allem technisch in der Lage ist, selbsttätig und ausschließlich am Empfangsort die Konfiguration der Ausbreitungsmechanismen, schon im Zuge der normalen Nachrichtenübertragung, d.h. momentan zu erkennen (und zu kompensieren). Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt auf der Hand: Durch die.

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Systemsteuerung braucht der Nachrichtenfluß nicht mehr unterbrochen zu werden, da eine Testsendung nicht erforderlich ist. Damit entfallen auch die entsprechenden Maßnahmen zur Testsendung am Sender. Die momentane Erkennung der Auswirkung der Ausbreitungssituation soll daher lediglich am Empfänger vorgenommen werden. Es wird zunächsc zur Klärung der basisbandfrequenten Entzerrungsmöglichkeit der dynamischen Auslösung die Fj g. 1, Fall I betrachtet. Die Auslösstelle befindet sich definitionsgemäß hier zwischen den Eckfrequenzen fQ und f<,. Zur Erkennung der Auswirkung der Auslösstelle soll Fig. 3a dienen, aus der klar ersichtlich ist, daß die Störfunktion in diesem Fall einen Frequenzsprung darstellt, der nur bei Zeichenwechsel auftritt. Dieser Frequenzsprung tritt bei 01-Folgen periodisch auf und erschwert die Auswertung an Einzelbits erheblich, weil er deren Energieinhalt verändert und somit eine Verschiebung gegenüber längeren Null- oder Einsfolgen hervorruft. Diese Verschiebung ist unabhängig davon, ob zur weiteren Signalauswertung und Regeneration integrierende oder bandbegrenzende Mittel verwendet werden.

Um die unerwünschten Energieanteile im demodulierten Signal, die durch die Phasensprünge hervorgerufen werden, zu vermeiden, ist eine Austastmethode möglich, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist. Diese zeigt einen Grenzwertschalter GS, der immer dann betätigt wird, wenn ein bestimmter Grenzwert, also z.B.

der normale Hubwert von f_Q oder f^ überschritten wird. Am Eingang des Grenzwertschalters liegt das normale frequenzmodulierte Signal und am Ausgang das ausgetastete Signal. Durch die Austastung entsteht dort, wo früher eine große Spitze des Signals war, eine Einsenkung auf Null (Fig. 3b zeigt dieses Resultat).

Dadurch wird zwar die Spitze vermieden, dem Einzelbit wird aber ein für die meisten Fälle zu großer Energieteil entzogen, der Signalauswertungsfehler nicht ausschließt. Eine bessere Möglichkeit besteht in einer Schaltung nach Fig. 5, bei der in einem Sample-Holdkreis SH bei Überschreitung des oben zitierten Spitzenwertes dieser Wert gespeichert wird und für die Dauer der Grenzwertüberschreitung in die bei der Austastmethode entstehende Lücke substituiert wird. Da der Grenzwertschalter eine geringe Ansprechverzögerung hat, wird die zu haltende Probe des

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Empfangssignals über eine Verzögerungsleitung At dem Sample-Holdkreis zugeführt. Der Umschalter US wird dann während dieser Zeit auf den Sample-Holdkreis geschaltet und liegt damit nicht mehr am unmittelbaren Signaleingang. Das Ergebnis dieser Methode ist in Fig. 3c dargestellt.

Damit hat zunächst die dynamische Auslösungsentzerrung eine befriedigende Lösung. Diese Methode versagt aber bei der statischen Auslöschung (Auslöschung der Eckfrequenz), weil dabei eine Spitze des Hubes nicht auftritt.

Bevor nun die Möglichkeit für die Entzerrung der statischen Auslöschung diskutiert wird, soll das Verhalten der Substitutionsmethode außerhalb des statischen und dynamischen Auslöschungs- bereichs beleuchtet v/erden. Der Standardfall hierfür ist Fall III in Fig. 1, dessen demoduliertes FM-Signal keine Spitzen besitzt, die nur bei dynamischer Auslöschung auftreten. Somit wird der Grenzwertschalter nicht beätigt und damit liegt am Ausgang des Entzerrers nach der Substitutionsmethode in diesem Fall das unveränderte direkt durchgeschaltete Eingangssignal.

An sich ist mit dieser relativ einfachen Anordnung bereits eine automatische Entzerrung möglich, die im Bereich der dynamischen und außerhalb der statischen Auslöschung sich gleichzeitig und ohne Zeitverzögerung dem entsprechenden momentanen Betriebszustand adaptiert.

Zur Beherrschung der dynamischen Auslöschung ist folgendes zu beachten: Sobald bei Frequenzmodulation die Auslöschung auf der Eckfrequenz auftritt und somit bei dieser Frequenz der minimale Empfangspegel unterschritten wird, versagen alle auf FM-Entzerrung ausgelegten Entzerrungsverfahren. Für die bisherigen Folgerungen der FM-Entzerrung wurde von der Annahme ausgegangen, daß infolge der Amplitudenbegrenzung vor der Frequenzdemodulation lediglich die Phasenverzerrung von Interesse ist. Betrachtet man aber nun den Amplitudengang vor dem Begrenzer bei statischer

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Auslöschung, wie er im Fall II auftritt, so ist erkennbar, daß immer dann, wenn die Frequenz ΐ~_· erreicht wird, die Zwischenfrequenzspannung den maximalen Wert, im Auslöschungsfall beim Erreichen der Frequenz f^' aber den minimalen Wert erreicht. Damit tritt im Zwischenfrequenzsignal vor dem Begrenzer eine der digitalen Zeichenfolge entsprechende, offensichtlich auswertbare Amplitudenmodulation auf. Das heißt mit anderen Worten, immer dann, wenn entsprechend der Frequenzmodulation statische Auslöschung herrscht, ist die Amplitudenmodulation des unbegrenzten Zwischenfrequenzsignals am ausgeprägtesten.

Allerdings gibt das Auftreten einer sinngemäß richtigen Amplitudenmodulation über ihre Auswertbarkeit noch keinerlei Auskunft. Einerseits besteht eine ernste Schwierigkeit darin, daß die Werte der Zwischenfrequenzspannung um ca. 80 dB schwanken können, d.h. daß die auswertbare Amplitudenmodulation bei hoher ZF-Spannung ausreichend groß ist, bei kleiner ZF-Spannung aber sehr klein ist. Gerade bei geringen Zwischenfrequenzspannungen ist aber die Auswertung am meisten wünschenswert. Dieser Nachteil kann dadurch behoben werden, daß ein negativ logarithmischer Verstärker mit einem hohen Dynamikbereich in einem Parallelzweig zum Frequenzdemodulator samt vorgeschaltetem Amplitudenbegrenzer vorgesehen wird. Diesem wird ein AM-Demodulator nachgeschaltet, dessen Ausgang eine Spitze-Spitze-Spannung abgibt, die dem logarithmischen Maß des Modulationsgrades entspricht, welches seinerseits vom absoluten Empfangspegel unabhängig ist.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß bei der statischen Auslöschung (Auslöschung auf einer der Eckfrequenzen) zwangsläufig zwei verschiedene Zustände existieren:

a) Auslöschung auf der Eckfrequenz f , die der digitalen Null entspricht. In diesem Fall ist die Amplitudenmodulation vereinbarungsgemäß in Phase mit der digitalen Zeichenfolge.

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b) Auslöschung auf der Eckfrequenz f^ , die der digitalen Eins entspricht. Hierbei- ist die Amplitudenmodulation in Gegenphase zur digitalen Zeichenfolge. Für die richtige Auswertung der Amplitudenmodulation muß also im Bedarfsfall ein geeignetes Kriterium zur Verfügung gestellt werden.

Wenn die geschilderten beiden Auswertungen von Amplitudenmodulation und Frequenzmodulation gemeinsam vorgenommen werden, so wird ein Höchstmaß an Adaptionsgescbwindigkeit, Einfachheit und Y/irtschaftlichkeit bei der Entzerrung von Ausbreitungsstörungen geboten. Praktische Messungen bestätigten diese Erkenntnis in vollem Umfang.

In der Folge wird nun ein Ausführungsbeispiel, belegt durch das Blockschaltbild gemäß Fig. 6, beschrieben.

Die Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild der Gesamtanordnung, bestehend aus dem ZF- und Demodulationsteil, dem dynamischen Entzerrer, dem statischen Entzerrer und der Datenauswertung.

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Das ZF- und Demodulationsteil / ist Teil eines konventionellen Empfängers und hier nur übersichtshalber dargestellt. Das ZF-Eingangssignal wird über das ZF-Filter 1 dem Begrenzer 2 zugeführt und im FM-Demodulator 3 demoduliert.

Zwischen dem Filter 1 und dem Begrenzer 2 ist ein selektiver ZF-Ausgang zusätzlich angeordnet, der mit dem statischen Entzerrer SE verbunden ist.
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Der Ausgang des FM-Demodulators 3 führt zum dynamischen Entzerrer DE.

Zunächst soll der dynamische Entzerrer DE beschrieben v/erden. Das Ausgangssignal des FM-Demodulators 3 ist zum Schalter 5 geführt und wird bei störungefreiem FM-Empfang direkt über den Schalter 13 zum Daten-Regenerator 15 geführt. Sobald nun dynamische Verzerrungen (Minimum etwa in der Hubmitte, Bei-

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spiel I in Fig. 1) bzw. die dadurch verursachten Spitzen auftreten, tritt der Grenzwertschalter 4 in Funktion und schaltet den Schalter 5 in seine zweite Stellung. Gleichzeitig ergeht ein Schaltbefehl an den Sampleholdkreis 7, der über das Laufzeitglied 6 das geringfügig zeitverzögerte Demodulatorsignal erhält. Zum Zeitpunkt des Ansprechens von Grenzwertschalter 4 liegt damit am Sampleholdkreis 7 ein verzögertes Signal, dessen Momentanwert dem des demodulierten Signales vor der Grenzwert-Überschreitung in erster Näherung entspricht. Für die Dauer der Grenzwert.überschreitung wird dieser Momentanwert mittels Sampleholdkreis 7 gespeichert und über den Schalter 5 in den Datenstrom substituiert. Mit dieser Maßnahme wird der Energieinhalt des ursprünglichen Bits erhalten und seine Lesbarkeit

im Regenerator 15 sichergestellt.
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Die YJirkungsweise des statischen Entzerrers ist folgendermaßen. Das vor dem Begrenzer 2 ausgekoppelte ZF-Signal besitzt im Falle der statischen Auslöschung eine bitsynchrone Amplitudenmodulation. Dieses AM-Signal wird über den logarithmischen Verstärker

dem AM-Demodulator 9 zugeführt. Der logarithmische Verstärker sorgt dafür, daß das am Ausgang von 9 entstehende Datensignal in seiner Amplitude unabhängig von der Empfangsfeldstärke ist. Das AM-Ausgangssignal läuft vom Ausgang des AM-Demodulators 9 über den AM-Begrenzer 10 und den Inverter 11 zum Schalter 13,

der zunächst noch in seiner Grundstellung am Ausgang des Schalters 5 liegt. Die Polarität des demodulierten AM-Signals am Ausgang von 9 und 10 ist entweder in Gleichlage oder Kehrlage mit dem demodulierten FM-Signal am Ausgang von 5, je. nachdem, ob die eine oder die andere der beiden Eckfrequenzen definitionsgemäß ausgelöscht ist. Um die hier notwendigen eindeutigen Verhältnisse zu schaffen, wird der jeweils lesbare Anteil der demodulierten FM mit der demodulierten AM in einem Polaritätsintegrator 12 verglichen und nach Bedarf im Inverter 11 invertiert. Der Polaritätsintegrator besteht aus einer Koinzidenzschaltung, bei der je nach Gleich- oder Gegenlage von FM/AM ein entsprechend integrierter Entscheidungswert abgegeben wird.

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Es soll an dieser Stelle kurz die Funktion des Inverters 11 und des Polaritätsintegrators 12 beschrieben werden: Wie schon erwähnt, kann die Phase der AM-Funktion um 180° falsch sein, abhängig davon, ob die der Eins entsprechende Eckfrequenz f^ oder die der Null entsprechende Eckfrequenz f auf der Auslöschstelle liegt.

Die jeweils auf der Auslöschstelle liegende Eckfrequenz kann im FM-Demodulator zu keiner vernünftigen Aussage führen. Die andere, jeweils nicht auf der Auslöschstelle liegende Eckfrequenz führt hingegen zu einer völlig eindeutigen Aussage, da immer dann, wenn sie in e'er digitalen Zeichenfolge auftritt, die Empfängereingangsspannumr uncL damit der Momentanwert der AM-Funktion hoch ist. Wird also/die Koinzidenzschaltung KS des Polaritätsintegrators IR zu allen Zeiten hoher AM-Spannung aufgetastet, so entsteht als Integrationsergebnis eine positive oder negative Spannung je nach Polaritätslage der AM gegen die FM. Ist das Ergebnis negativ, so wird der Inverter 11 umgesteuert, so daß die zum Schalter 13 geführte AM-Funktion die richtige Polung erhält.

Im AM-Entscheider 14, der in der Datenauswertung untergebracht ist, wird automatisch geprüft, ob eine brauchbare bitsynchrone AM und somit mit gewisser Wahrscheinlichkeit keine brauchbare FM vorhanden ist. Ist dies der Fall, was näherungsweise nur bei statischer Auslöschung sein kann, so schaltet der AM-Entscheider den Schalter 13 an den Inverter 11 und dem Regenerator 15 werden die aus der AM gewonnenen Daten zugeführt.

Das Zusammenwirken der vorstehenden Einrichtungen geschieht wie folgt.

Das entsprechend der jeweiligen Ausbreitungssituation verzerrte ZF-Signal, das einen Pegel von -92 bis -10 dBm haben kann, durchläuft zuerst das ZFrFilter 1 (B = 16 kHz) und anschließend einen Trennverstärker. Mit einem Pegel von je -82 bis 0 dBm (1 mW) erreicht es gleichzeitig den Begrenzer 2 und den Dynamikkompressor 8, um entweder im FM-Demodulator 3 oder im AM-Demodulator 9

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demoduliert zu werden. Am Ausgang des FM-Demodulators 3 steht nun ein dem entsprechenden Nutz-, oder auch Störhub proportionales Signal und am Ausgang des AM-Demodulators 9 steht ein dem AM-Modulationsgrad proportionales Signal zur Verfügung.

Bei reiner FM erscheint am Ausgang des AM-Demodulators 9 kein AM-Signal, der AM-Entscheider 14 liefert das logische Ausgangssignal "Null", der FM-AM-Schalter 13 bleibt in seiner Ruhestellung FM. .

Damit kann das in diesem Fall reine (Störfunktionsfreie) FM-Ausgangssignal des FM-Demodulators 3 direkt über den in Ruhestellung befindlichen Substitutionsschalter 5, den FM-AM-Schalter 13 und ein Basisbandfilter zum Regenerator 15 gelangen. Dieser Signalfluß entspricht exakt dem konventionellen Signalfluß eines optimierten FM-Empfängers.

Reine FM ist aber nur relativ selten, nämlich beim Vorhandensein eines einzigen Ausbreitungsweges, vorhanden. Ein vergleichbarer Fall tritt, wie schon erläutert, bei Mehrwegeausbreitung auf, wenn die Lage der Radiofrequenz f auf dem Maximum der Amplitudencharakteristik liegt (z.B. Fig. 1, Fall III). Fig. 8 zeigt unter dieser Voraussetzung ein Oszillogramm des FM-Datenstromes (oben) und der AM-Funktion am Ausgang des AM-Detektors 9 (unten).

Verändert man nun die Lage des Spektrums z.B. infolge einer Veränderung der Radiofrequenz Fig. 9, so hat dies eine entsprechende AM zur Folge. In diesem Zustand reicht aber die AM noch nicht zur Betätigung des AM-Entscheiders aus und dies wäre auch gar nicht notwendig, denn die FM ist noch einwandfrei zu lesen.

Verschiebt man das Spektrum weiter zur Nullstelle hin (Fig. 10), so daß eine Eckfrequenz das Minimum gerade erreicht_s so verliert man die Lesbarkeit der FM infolge statischer Auslöschung, während die AM nun völlig ausgebildet ist. Der AM-Entscheider hat bereits den FM-AM-Schalter 13 in die Stellung AM gebracht. Das am Ausgang des AM-Demodulators vorhandene AM-Signal wird

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über den AM-Begrenzer 10 und den Inverter 11 in den Signalweg (Schalter 13), mit einer dem FM-Signal entsprechenden Amplitude, eingeblendet.

Verschiebt man nun das Spektrum weiter, so daß Symmetrie der Eckfrequenzen um die Auslöschstelle herum erreicht wird (Fig. 11), so verschwindet die AM wiederum, die FM ist mit einer Störfunktion behaftet, da es sich hierbei um eine dynamische Auslöschung handelt.

Der AM-Entscheider 14 hat nun den Schalter 13 wieder in seine Ausgangsstellung FM zurückgestellt. Die am Ausgang des FM-Demodulators herrschende Störfunktion überschreitet den Grenzwertschalter 4, der im Sample-Hold-Kreis 7 den zu substituierenden Momentanwert aus der Verzögerungsleitung 6 zum Substitutionsschalter 5 führt, der gleichzeitig für die Dauer der Überschreitung durch den Grenzwertschalter 4 nach unten geschaltet wird und damit den im Sample-Hold-Kreis gespeicherten Analogwert substituiert.

Somit wird dem Regenerator 15 am Ausgang des Basisbandbegrenzungsfilters für alle diskutierten Fälle ein störfunktionsbefreites Signal angeboten..

Die hier vorgestellte Anordnung ist in der Lage, bei einer Laufzeitverschiebung vonAt =1/2 Bit auf dem Umweg und einer maxi- " malen Auslöschungstiefe von 22 dB alle Fehler automatisch zu reparieren bzw. zu' kompensieren.

Treten darüber hinaus bei FM-Auswertung kurze Rausch- oder Pulsstörungen auf, so äußern sich diese ebenfalls als kurze Spitzen im Modulationstext. Der dynamische Entzerrer erkennt und eliminiert solche Spitzen automatisch und fungiert somit als Störaustastung.

6 Patentansprüche
11 Figuren

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Claims (6)

Patentansprüche

1. System zum Empfang digitaler Nachrichtensignale, die in Form einer Frequenzmodulation einem Träger aufgeprägt sind, in einem reflexionsbehafteten Ausbreitungsmedium, insbesondere für den Empfang bei mobilen Stationen, Weitverkehr und Streustrahlverbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Phasen- und Amplitudenverzerrungen verursachten Informationsverluste ihrer Ursache nach in zwei sich ergänzenden Anordnungen automatisch erfaßt werden, von denen die eine ein Frequenzdiskriminator (3) ist, dem eine Einrichtung (4) zum Erkennen von durch Reflexionsverzerrungen verursachten Störspitzen nachgeschaltet ist, und eine Schaltung (6, 7), die diese Störspitzen ausgleicht, ferner ein Amplitudendemodulator (9), der dem Frequenzdemodulator (3) in einem anderen Zweig parallel geschaltet ist, und daß die Ausgänge beider Demodulatoren (3, 9) auf einen Umschalter (13) geführt sind, der von einer Amplitudenmodulations-Auswertevorrichtung (14) gesteuert wird und der bei erkennbarer Amplitudenmodulation genügender Größe den Amplitudendemodulator (9) und bei erkennbarer Frequenzmodulation den Frequenzdiskriminator (3) samt Störspitzenerkenner (4, 6 , 7) auf einen gemeinsamen Ausgang schaltet, daß ferner dem Ausgang des AM-Demodulators (9) ein Polarisationsinverter (11) nachgeschaltet ist, der von einem Polaritätsintegrator (12) gesteuert, das AM-Demodulationsprodukt abhängig von der Höhe des FM-Demodulationsproduktes im Sinne polaritätsrichtiger AM-Demodulation umsteuert.

2. System zum Empfang digitaler Nachrichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach gemeinsamem ZF-Weg vor dem FM-Demodulator (3) ein Begrenzer (2) und vor dem AM-Demodulator (9) ein Dynamikkompressor (8) liegt. .

709852/0595

ORIGINAL INSPECTED

3. System zum Empfang digitaler Nachrichten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dynamikkompressor (8) als Verstärker mit negativ logarithmischer Amplitudencharakteristik ausgebildet ist.

4. System zum Empfang digitaler Nachrichten nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erkennung von durch Reflexionsverzerrungen verursachten Störungen ein Grenzwertschalter (4) ist, der bei Störspitzen über einer gewissen Größe das vom FM-Demodulator kommende Signal über einen Umschalter (5) von dessen Ausgang abschaltet und während der Dauer der Störspitze (Sample) auf eine Verzögerungsleitung (6) legt, die ebenfalls am Ausgang des FM-Demodulators (3) liegt.

5. System zum Empfang digitaler Nachrichten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g ekennzeichnet, daß der Polaritätsintegrator (12) im AM-Zweig eine Koinzidenzschaltung und den Polarisationsinverter 11 im Sinne richtiger Polarität des AM-Signales steuert.

6. System zum Empfang digitaler Nachrichten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem AM-Demodulator (9) und dem Polarisationsinverter (11) ein AM-Begrenzer (10) liegt.

709852/0595