DE2651450A1

DE2651450A1 - Elementarzeichen fuer telegraphieverfahren

Info

Publication number: DE2651450A1
Application number: DE19762651450
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl Ing Esprester
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1976-11-11
Filing date: 1976-11-11
Publication date: 1978-05-18
Also published as: FR2371099A1; FR2371099B1; GB1581294A; DE2651450C2

Description

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LICENTIA

Patent-Verwaltung«-GmbH

6000 Frankfurt (Main) 70, Theodor-Stern-Kai 1

Ulm,10.11.1976 PT-UL/Dr.Gk/sa UL 76/II8

"Elementarzeichen für Telegraphieverfahren¹¹

Die Erfindung betrifft ein Elementarzeichen für Telegraphieverfahren, insbesondere mit Restseitenband-Modulation mit unterdrücktem Träger.

Bei der linearen bitseriellen Telegraphic ist eine minimale Amplitudenmodulation bei den auszusendenden geträgerten Signalen immer dann von Bedeutung,

a) wenn die mittlere Signalleistung einer Sender-Endstufe optimiert werden soll,

b) wenn an die Linearität der Verstärkung dieser Endstufe nur geringe Anforderungen gestellt werden können.

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Bei binärer bitserieller Telegraphie mit beliebig großer Bandbreite ist beispielsweise das in Fig. la dargestellte Elementarzeichen in Gestalt einer Rechteckfunktion der Amplitude 1 und der Dauer T gebräuchlich* Wird mit diesem Elementarzeichen eine Nachricht mit der Bitfolge HLHLL ausgesendet, so erhält man die in Fig. Ib dargestellte Zeichenfolge. In einem geträgerten System - beispielsweise einem FunkübertragungsTerfahren · beobachtet man dann bei Verwendung der Zweiseitenbandmodulation eine Einhüllende, wie sie in Fig. Ic gezeichnet ist. Das Signal gemäß Fig. Ic ist breitbandig, es enthält Seitenbänder höherer Ordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elementarzeichen der eingangs genannten Art anzugeben, das bandbegrenzt ist, eine möglichst hohe Telegraphiegeschwindigkeit ermöglicht und das im Code eine minimale Amplitudenmodulation ergibt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das Elementarzeichen im Frequenzbereich das Frequenzspektrum

F(f) » cos² [al (f - I B)]

lit -B(I - I )£f £- B(I + f)

aufweist, wobei mit f di· Frequenz, mit B die (-6 dB)-Bandbreite des Elementarzeichens und mit α ein zwischen 0,5 und 2 wählbarer Parameter (0,5<αέ2) bezeichnet sind, und daß das Elementarzeichen im Zeitbereich in eines ersten bzw. einem zum ersten

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orthogonalen zweiten Kanal eines Restseitenband-Modulators nach Maßgabe der Beziehung

,. λ 3Jn2uh . .

^{y(h) =} ^Sin(X7th

darstellbar ist, wobei mit h = B . t die mit der Bandbreite B normierte Zeit t ist»

Dabei wird zur Minimalisierung der Restamplitudenmodulation der Parameter α = 0,7 und der zeitliche Abstand (im Code) aufeinanderfolgender Elementarzeichen T = gewählt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert·

Fig· 2 zeigt den Spektralv-erlauf eines Elementarzeichens gemäß der Beziehung F(f) * cos j TTfT (^f ~ %~M · ^Ea handelt sich um eine Darstellung im Basisband, d. h. der (unterdrückte) Träger mit der Trägerfrequenz f« liegt bei der Frequenz f =* 0. Das

ΓΪ.Η

Spektrum ist um -^- gegen die Trägerfrequenz f^ nach positiven Frequenzen hin verschoben. Auf die gestrichtelt eingezeichnete Linie wird später eingegangen. Das Spektrum ist bandbegrenzt, es hat eine (-6 dB)-Bandbreite B.

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Fi*. 3a und 3b zeigen das Elementarzeichen gemäß Fig. 2 nach einer Transformation in den Zeitbereich. Durch Fouriertransformation erhält man aus dem Spektrum F(f) nach Fig. 2 eine Zeitfunktion mit dem Realteil

/, \ sin2ith

^x(h) -

der in Fig. 3» dargestellt ist, sowie mit einem in Fig. 3b dargestellten Imaginärteil

/x.\ sin27th ^y(h) -

wobei h * B . t ist (t * Zeit). Die Funktionen x(h) und y(h) sind zueinander orthogonal. Sie entsprechen der Zeitdarstellung des Elementarzeichens mit dem Spektrum gemäß Fig. 2 in den beiden zueinander orthogonalen Kanälen (Sinus- und Kosinuskanal) eines Restseitenband-Modulators. Fig. 3a enthält außerdem noch

1/ 2 2¹

die Einhüllende z(h) a //x(h) + y(h) sowie - gestrichelt eingezeichnet - ein benachbartes Elementarzeichen. Der Abstand T benachbarter Elementarzeichen (dieser Abstand entspricht dem Abstand der Bit- bzw. Telegraphieschritte) ist zu T « "öTTr S°~ wählt, weil dieser Abstand mit zu einer minimalen Amplitudenmodulation führt. Die Telegraphiegeschwindigkeit v_ » sr » 2αΒ nimmt - bei gleicher Telegraphiebandbreite - mit zunehmendem α zu. Für die Restseitenbandmodulation ist der Bereich O,5^a^2 von Interesse. Während α * 0,5 kaum einen Gewinn an Telegraphiegeschwindigkeit gegenüber der Zweiseitenband-Modulation erbringt, ist bei α » 1 immerhin eine gegenüber der

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Z-weiseitenband-Modulation doppelte Telegraphicgeschwindigkeit möglich. In Fig. 3a ist α zu O,?l4 gewählt, damit T » -g—rr a 0,7 . h wird (Nullstelle von x(h)J). Besonders wichtig ist, daß die Trägerfrequenz f-, - im Unterschied zu den bekannten Restseitenband-Modulationsverfahren - bewußt nicht auf die Mitte der Nyquist-Flanke (vgl. gestrichelte Linie in Fig. 2) abgestimmt ist, was einer Einstellung α χ 1 entspricht, sondern auf eine Frequenz im Abstand -*- von der Mitte des Spektrums (vgl. durchgezogene Linie) mit α = ο,7» Damit wird nämlich - in Verbindung mit der speziellen Form des Elementarzeichens und der Wahl des Bitschrittes T zu T = -zTTä - erreicht, daß das auszusendende geträgerte Signal bei einem binär phasenumgetasteten Code minimale Amplitudenmodulation aufweist. Dabei bleibt auch das vom Elementarzeichen benutzte Band der Breite 2B für den Nachrichtencode erhalten, wobei die Nachrichteninformation dann in der Momentanphase des ausgesendeten Signals enthalten ist. Die minimale Amplitudenmodulation bringt zwei beachtliche Vorteile mit sich, indem sie zum einen (wegen der geringen Tiefe der Amplitudenmodulation) eine Optimierung der mittleren Signalleistung der Senderendstufe gestattet und zum andern die Verwendung einer Endstufe ermöglicht, an die nur geringe Anforderungen hinsichtlich der Linearität der Verstärkung zu stellen sind. Letzteres ist insofern von Bedeutung, als der Sender dann hinsichtlich des wirtschaftlichen Aufwandes, des Bauvolumens, Gewichts und des Leistungswirkungsgrades günstige

Werte erreicht.

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An dieser Stelle sei noch auf einen weiteren Vorteil des Elementarzeichens gemäß Fig. 2 bzw. 3a und 3b hingewiesen. Um bei einem Nachrichtencode eine minimale Amplitudenmodulation und zugleich eine optimale Nutzung der verfügbaren Bandbreite für die Informations-(Bit-)rate zu erreichen, muß das Elementarzeichen nach Erreichen des Maximums möglichst schnell abklingen, damit das nachfolgende Informationsbit (bzw. Elementarzeichen) von ihm möglichst wenig gestört wird. Aus Fig. 3a bzw. 3b geht nun hervor, daß /x(h)/ bzw. /y(h)/ bereits für / h/2-0,7bzw./h/*l auf vernachlässigbare Werte kleiner als 2,5 bzw. 1,5 % absinkt.

Ein zusätzlicher Vorteil des Elementarzeichens mit α a 0,7 besteht darin, daß bei seiner Verwendung die Rest-Amplitudenmodulation des codierten Signals Seitenbänder enthält, die außerhalb des Frequenzbereichs des (bandbegrenzten) Elementarzeichens liegen und die gerade die bei der Phasenmodulation außerhalb des vorgegebenen Frequenzbandes mit erzeugten Frequenzkomponenten kompensieren.

Restseitenbandmodulierte Signale sind bereits aufgrund ihrer Entstehungsart linear verzerrt. Diese lineare Verzerrung läßt sich bei Verwendung des erfindungsgemäßen Elementarzeichens durch den Einsatz eines an das Zeichen angepaßten Filters (sog. Matched-Filter) auf der Empfangsseite ohne Verlust an Signalenergie wieder rückgängig machen.

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Fig. k zeigt mit gestrichelter Linie das Spektrum gemäß Fig. 2, d. h. das Spektrum des Elementarzeichens im ungeträgerten Basisband, und dazu mit durchgezogener Linie den Frequenzgang eines empfangsseitigeti an das Elementarzeichen angepaßten Tiefpaßfilters. Es handelt sich um einen Restseitenband-Tiefpaß, dessen Durchlaßcharakteristik entsprechend dem Frequenzgang des Elementarzeichens gegenüber der Frequenz f = 0 um -s- in Richtung der positiven Frequenzen verschoben ist. Wie sich dieser Figur des weiteren entnehmen läßt, entspricht einer Signalfolge der Form ... +■-+-+-..· ein Seitenbandton der Frequenz f -s f + aB (vgl. durchgezogene Vertikale rechts), einer Signalfolge ... ++++++ ·._s oder ... ------ ... dagegen die Trägerfrequenz f_» ("vgl* durchgezogene Ordinate links), die hier gerade bei der Frequenz f s 0 liegt. Die Trägerfrequenz gibt also den Gleichanteil des auszusendenden Signals wieder. Mit v-,/2 ist die halbe Telegraphiegeschwindigkeit bezeichnet.

Fig. 5» «nd 5b zeigen die Stoßantwort des Restseitenband-Tiefpasses, und zwar ist in Fig. 5a ihr Realteil

sin2TOXh

und in Fig_e 5b ihr Inaginärteil

sin_2TOxh

dargestellt, wobei der Parameter α wiederum zu α s O,7i4 gewählt ist«, . - 8 -

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AO

Die minimale Abtastrate ist durch das Abtasttheorem definiert* Bei einem Restseitenbandsignal kann durchaus eine Abtastung
pro Bitschritt im Sinus- und eine im Kosinuskanal ausreichen* Wie gut dieses für das ausgewählte Eleraentarzeichen zutrifft, geht aus Fig. 6 hervor. Das mit durchgezogener Linie gezeichnete Spektrum ergibt sich aus dem Spektralverlauf des Elementarzeichens gemäß Fig. 2 nach empfangsseitiger Filterung dieses Spektrums mit einem Restseitenband-Tiefpaß mit einer Durchlaßcharakteristik gemäß Fig. k, die hier mit strich-punktierter
Linie eingezeichnet ist· Zum Vergleich enthält Fig. 6 auch
- mit gestrichelter Linie dargestellt - das ungefilterte Spektrum des Elementarzeichens* Die Abtastrate l/T entspricht der Telegraphiegeschwindigkeit. Durch die Selektion des Restseiten-Tiefpasses wird die Überlappung der Spektren benachbarter Elementarzeichen weitgehend reduziert. Dieses ist von Bedeutung, weil der Überlappungsbereich der gefalteten Spektren nach dem Abtasttheorem möglichst klein sein soll.

Ein entscheidendes Kriterium dafür, ob die Abtastrate (1-mal
pro Bitschritt) für das gewählte Elementarzeichen ausreicht,
liefert die Abhängigkeit der Autokorrelationsfunktion AKF der Abtastwerte des Elementarzeichens von der Wahl des Abtastzeitpunktes bzw. einer Verschiebung des Abtastrasters bei konstanter Abtastrate.

Fig. 7a bis c zeigt diese Abhängigkeit für das erfindingsgemäße Elementarzeichea (nach Filterung mit dem Restseitenband-Tief-

_ Q „

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paß), wobei der Abtastzeitpunkt h in Fig. 7a zu h = 0, in Fig. 7b zu h = 0,2 und in Fig. 7c zu h = 0,4 gewählt ist. Links in Fig. 7a bis c sind jeweils der Real- und der Imaginärteil des Elementarzeichens (im Zeitbereich) mit den jeweiligen Abtastwerten, das sind die vertikalen Linien unter den Kurvenverläufen, dargestellt, in der Mitte die Autokorrelationsfunktion AKF der Abtastwerte des Realsteiis sowie des Iraaginärteils und rechts jeweils die Summe ^vAKF der zu ein und demselben Abtastzeitpunkt gehörenden Autokorrelationsfunktionen des Real- und Iraaginärteilf. Pro Bitschritt wird im Real- und Imaginärteil wie erwähnt nur eine Abtastung vorgenommen. Die Darstellung macht deutlich, daß das Summensignal ^AKF unabhängig von der Wahl des Abtastzeitpunktes praktisch nur den Hauptwert (bei vernachlässigbaren Nebenwerten) aufweist und daß die Amplitude dieses Hauptwerts vom AbtastZeitpunkt nahezu unabhängig ist. Damit ist nachgewiesen, daß die linearen Verzerrungen des Elementarzeichens mit Hilfe eines bandeinengenden Restseitenband-Filters und eines diesem nachfolgenden matched— filter-auf der Empfangsseite rückgängig gemacht werden können. Dieses bandeinengende Filter hätte bei einer Anwendung im Kurzwellenbereich beispielsweise eine ( - 6dB)-Bandbreite von 3 kHz bei einer Bitgeschwindigkeit von 3000 Baud. Das A3J-Filter im Zwischenfrequenzband serienmäßiger Kurzwellenempfänger ist beispielsweise dafür geeignet. Im Basisband ist das bandeinengende Filter ein Restseitenband-Tiefpaß. Das matched filter wird mit Hilfe einer Testfolge während der Adaptionsphase auf der

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Empfangsseite eingestellt. Die Einstellprozedur ist nicht Gegenstand dieser Anmeldung.

Wie wichtig die erwähnte Unabhängigkeit vom Abtastzeitpunkt ist, läßt sich daraus ersehen, daß hierdurch eine Regelschaltung (Rückführung aus dem Prozessor) zur Einstellung des Abtastmoments überflüssig wird, was beispielsweise eine unabdingbare Voraussetzung - sehr wichtig für schnelle Adaption an Ubertragungskanal - für einen off-line-Betrieb mit nachträglicher Entzerrung ist.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß eine eventuelle Phasendifferenz zwischen Demodulationsträger und geträgertem Signal aufgrund des beschriebenen Matched-Filter-Prozesses keine Rolle spielt.

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Claims

Patentansprüche

Elementarzeichen für Telegraphieverfahren, insbesondere mit Restseitenband-Modulation mit unterdrücktem Träger, dadurch gekennzeichnet, daß das Elementarzeichen im Frequenzbereich das Frequenzspektrum

FCf) * cos² [jpg <f - £ B)]

mit -B(I - J)^f ^B(I + |)

aufweist, wobei mit f die Frequenz, mit B die (-6 dB)-Bandbreite des Elementarzeichens und mit α ein zwischen 0,5 und 2 wählbarer Parameter (0,5-^oc. ^2) bezeichnet sind, und daß das Elementarzeichen im Zeitbereich in einem ersten bzw. einem zum ersten orthogonalen zweiten Kanal eines Restseitenband-Modulators nach Maßgabe der Beziehung

ι, % sin2nh

^x(h) * —" ^coaa7ih ^bzw·

darstellbar ist, wobei mit h = B . t die mit der Bandbreite B normierte Zeit t ist (Fig. 2, 3a und 3b).

2. Elementarzeichen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Parameter α zwecks Minimalisierung der Rest-Amplitudenmodulation der Wert 0,7 gewählt ist.

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3. Elementarzeichen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender EIe-

1
2aB

mentarzeichen T » ^-ö beträgt (Fig. 6).

k, Elenentarzeichen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch seine Verwendung bei einem Restseitenband-Modu lationsverfahren, bei dem empfangsseitig ein an das Elementar zeichen angepaßtes Filter, sogenanntes matched-filter, vorgesehen ist, dem ein bandeinengendes Filter vorgeschaltet ist.

5. Elementarzeichen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß geringe Empfindlichkeit gegenüber nichtlinearen Verzerrungen des Senders in der Amplitude gewährleistet ist.

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