DE2651450C2 - Elementarzeichen für Telegraphieverfahren - Google Patents

Description

aufweist, wobei mil / die Frequenz, mit B die (-6 dB)-Band*>reite des Elementarzeichens und mit α ein zwiscbs.i 0,5 und 2 wählbarer Parameter (0,5 < a < 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

IO

15

20

-V(A)

sin2/r/i

bzw.

sin 2 π A
2.τΛ(1-4Α^:)

cos an h

sin an A

darstellbar ist, wobei mit h = B ■ ι die mit der Bandbreite B normierte Zeil / ist (F i g. 2,3 a und 3 b).

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

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

aufeinanderfolgender Elementarzeichen T = ·=—τ.

beträgt (Fig. 6).

4. Elemeniarzeichen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch seine Verwendung bei einem Restseitenband-Modulationsverfahren, bei dem empfangsseitig ein an das Elementarzeichen angepaßtes Filter, sogenanntes matched-fillcr, vorgesehen ist, dem ein bandeinengendes Filter vorgeschaltet ist.

Bei binärer bitserieller Telegraphie mit beliebig großer Bandbreite ist beispielsweise das in Fig. I a dargestellte ElemenUrzeichen in Gestalt einer Rechteckfunktion der Amplitude 1 und der Dauer T gebräuchlich [(siehe z. B. H. Marko: »Das optimale Sendesignal für digitale Übertragungssysteme«, NTZ 28, H. 1 (1975), S. 7-12).] Wird mit diesem Elementarzeichen eine Nachncht mit der Bitfolge HLHLL ausgesendet, so erhält man die in Fig. 1 b dargestellte Zeichenfolge. In einem getragenen System - beispielsweise einem Funkübertragungsverfahren - beobachtet man dann bei Verwendung der Zweiseitenbandmodulation eine Einhüllende, wie sie in Fig. Ic gezeichnet ist. Das Signa] gemäß Fig. 1 c ist breitbandig, es enthält Seüenbänder höherer Ordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein EIementarzeichen 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

25

35

50

Die Erfindung betrifft ein Elementarzeichcn für TeIegraphieverfahren, insbesondere mit Restscitenband-Modulation mit unterdrücktem Träger.

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

a) wenn die mittlere Signalleislung einer Sender-Endstufe optimiert werden soll, f>5

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

aufweist, wobei mit / die Frequenz, mit B die (-6 dB)-Handbrcite des Elcmentarzeichens und mit a ein zwischen 0,5 und 2 wählbarer Parameter (0,5<σ<2) bezeichnet sind, und daß das Elcmentarzcichcn im Zeitbereich in einem ersten bzw. einem zum ersten orthogonalen zweiten Kanal eines Restscitenband-Modulators nach Maßgabe du Beziehung

40 x(h)

s\n2nh
2/rA(l-4A²)

45

sin 2 π A 2/r/ril -4h¹)

cos an A

unanh

'larstcllbar ist, wobei mit A = B · t die mit der Bandbreite B normierte Zeit / ist.

Dabei wird zur Minimalisierung der Restamplitudenmoaulation der Parameter a = 0,7 und der zeitliche Abstand (im Code) aufeinanderfolgender Elementar-I

zeichen T ■- IaB

gewählt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargesteiii und wird im folgenden näher erläutert.

Fig. 2 zeigt den Spektralverlauf eines Elementarzcichcns gemäß der Beziehung ■

Es handelt sich um eine Darstellung im Basisband, d. h. der (unterdrückte) Träger mit der Trägerfrequenz /,liegt bei der f-'requenz /- 0. DasSpektrum

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

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

sin 2 nh

,-cos α/τ Λ

¹ ' 2/rA(l-4A')

der in Fi g. 3 a dargestellt ist, sowie mit einem in F i g. 3 b dargestellten Imaginärteil

sin 2 nh

sin anh

21)

wobei A ~ B · t ist (/ = Zeit). Die Funktionen .ν(Λ) 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. 3 a enthält außerdem noch die Einhüllende

r(A) = I x(h)² +y{hY

sowie - gestrichelt eingezeichnet - ein benachbartes Elementarzeichen. Der Abstand T benachbarter Elementarzeichen (dieser Abstand entspricht dem Abstand der Bit- bzw. Telegraphieschritte) ist zu

T = τ—5 gewählt, weil dieser Abstand mit zu einer lau

minimalen Amplitudenmodulation führt. Die Telegraphiegeschwindigkeit v_r = j. = IaB nimmt - bei gleicher Telegraphiebandbreite - mit zunehmendem a zu. Für die Restseitenband-Modulation ist der Bereich 0,5 < a < 2 von Interesse. Während a = 0,5 kaum einen Gewinn an Telegraphiegeschwindigkeit gegenüber der Zweiseitenband-Modulation erbringt, ist bei er = 1 immerhin eine gegenüber der Zweijcitenband-Modulaticn doppelte Telegraphiegeschwindigkeit möglich, in

30

45 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.

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 («zw. Elementarzeichen) von ihm möglichst wenig gestört wird. Aus Fig. 3 a b^vj. 3 b geht nun hervor, daßj.v(A)|bzw.ly(A)|bereits fiir|A|i.0,7 bzw.|A|> 1 auf vernachlässigbare Werte kleiner als 2,5 bzw. 1,5% absinkt.

Ein zusätzlicher Vorteil des Elementarzeichens mit a = 0,"/ besieht 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.

Fig. 4 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 empfangsseitigen an das Elementarzeichen angepaßten Tiefpaßfilters. Es handelt sich um einen RestseUenband Tiefpaß, dessen Durchlaßcharakteristik entsprechend dem Frequenzgang des Elementarzeichens gegenüber der Fre

Fig. 3 a ist α zu 0,714 gewählt, damit T-

I
2aB

= 0,7 · h quenz / = 0 um -r- in Richtung der positiven Frequen

50

wird (Nullstelle von x(ii)\). Besonders wichtig ist, daß die Tragerfrequenz f_T - im Unterschied zu den bekannten ResUeitenband-Modulationsverfahren - bewußt nicht auf die Mitte der Nyquist-Flanke (vgl. gestrichelte Linie in Fig. 2) abgestimmt ist, was einer Einstellung a = 1 entspricht, sondern auf eine Frequenz im Abstand

-^₅- von der Mitte des Spektrums (vgl. durchgezogene

Linie) mit a = 0,7. Damit wird nämlich - in Verbindung mit der speziellen Form des Elementarzeichens und der

Wahl des Bitschrittes Ttu T- t-s - erreicht, daß das „

.», 2a B

auszusendende getragene Signal bei einem binär phasenumgetasteten Code minimale Amplitudenmodulation aufweist. Dabei bleibt auch das vom Elementarzeichen benutzte Band der Breite IB für den Nachrichtencode erhalten, wobei die Nachrichtcninfor- <Λ rruition dann in der Mirtfientanphase des ausgesendeten Signals enthalten ist. Die minimale Amplitudcnmodulation brinal zwei beachtliche Vorteile mit sich, indem zen verschoben ist. Wie sich dieser Fig. des weiteren entnehmen läßt, entspricht einer Signalfolge der Form ...H 1-- + -... ein Seitenbandton der Frequenz / = f_T + ab (vgl. durchgezogene Vertikale rechts), einer Signalfolge ... + + + + + + ... oder

... ... dagegen die Trägerfrequenz f_T (vgl.

durchgezogene Ordinate links), die hier gerade bei der Frequenz / = 0 liegt. Die Trägerfrequenz gibt also den Gleichanteil des auszusendenden Signals wieder. Mit V₇Jl ist die halb». Telegraphiegeschwindigkeit bezeichnet.

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

s\n2nah

cos/rarΛ

und in Fig. 5b ihr Imaginärteil sin2 nah

2 nah exp(/i²/2

nah

dargestellt, wobei der Parameter α wiederum zu a = 0,714 gewählt ist.

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 Elementarzeichen zutrifft, gehl 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. 4, die hier mit strich-punktierter Linie eingezeichnet ist. Zum Vergleich enthält Fig. 6 auch - mit gestrichelter Linie dargestellt - das ungefilterte Spektrum des EIementarzeichens. Die Abtastrate 1/7" entspricht der Telegraphiegeschwindigkeit. Durch die Selektion des Restseiteri-Tiefpssses 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 (Imal pro Bitschrift) für das gewählte Elementarzeichen ausreicht, liefert die Abhängigkeil der Autokorrelationsfunktion AKFügt 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 erfindungsgemäße Elementarzeichen (nach Filterung mit dem Restseitenband-Tiefpaß), wobei der Abtastzeitpunkt ft„ in Fig. 7a zu H₀ =0, in Fig. 7b zu h» = 0,2 und in F i g. 7 c zu h₀ = 0,4 gewählt ist. Links in F i g. 7 a bis c sind jeweils der Real- und der Imaginärteil des Elcmcntarzeichens (im Zeitbereich) mit den jeweiligen Abtastwerten, das sind die vertikalen Linien unter den Kurvenverläufen, dargestellt, in der Mitte die Autokorrelationsfunktion AKFAtr Abtastwerte des Realteils sowie des Imaginärteils und rechts jeweils die Summe ZAKF der zu ein und demselben Abtastzeitpunkt gehörenden Autokorrelationsfunktionen des Real- und Imaginärteils. Pro Bitschritt wird im Real- und lmaginiirtcil wie erwähnt nur eine Abtastung vorgenommen. Die Darstellung macht deutlich, daß das Summensignal ZAKF 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 Restsettenband-Filters und eines diesem nachfolgenden matched-filters auf der Empfangsseite rückgängig gemacht werden können. Dieses bandeinengende Filter hatte 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 Restscitenband-Tiefpaß. Das matched filter wird mit Hilfe einer Testfolge während der Adaptionsphase auf der 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 Übertragungskanal - für einen off-linc-Betrieb mit nachträglicher Entzerrung ist.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß eine eventuelle Phasendifferenz /wischen Dcmodulationsträger und getragenem Signal aufgrund des beschriebenen Matched-Filter-Prozcsscs keine Rolle spielt.

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

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