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(Phasenumtastungs/Amplitudenumtastungs
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Die Erfindung betrifft ein allgemein anwendbares(PSK/ASK)-System mit
beliebiger, sowohl innerhalb (m=2n) als auch außerhalb 6l=2n-k) einer geometrischen
Progression wählbarer Stufenzahl bzw. (n= Anzahl der Bit/Ubertragungsschritt k=
ganzzahlig).
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Einige PSK/ASK-Systeme (Phase Shift Keying/Amplitude Shift Keying)
lassen sich auch durch Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM) erzeugen. Bei der QAM
setzt sich das Modulationsprodukt aus der Addition zweier um 900 phasenverschobener
Trägerschwingungen gleicher Frequenz zusammen, die getrennt amplitudenmoduliert
werden. Die Spitze eines QAM-Vektors 2 kann jedoch grundsätzlich nur m=n Zustände
in den Quadranten des Einheotskreises einnehmen. Es tritt gleichzeitig Amplitudenmodulation
und Phasenmodulation auf. Die PSE/ASK-Modulation ist die bevorzugte Modulationsart
im digitalen Richtfunk. Die mittlere effektive und maximale Trägerleistung der m-stufigen
und 1-stufigen PSE/ASK-Systeme zur Erzielung einer vorgegebenen Schrittfehler-Wahrscheinlichkeit
(von z.B.
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1510 7) soll bei dieser Modulationsart möglichst klein sein und der
Bandbreitebedarf soll möglichst gering sein. Dies ist besonders bei Anwendung im
Satellitenfunk von Bedeutung.
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Stand der Technik: Bekannt ist die Erzeugung von 8-PSK/ASK-Systemen,
wobei Phasenmodulation und Amplitudenmodulation nacheinander durchgeführt werden
(Kawai, K., Sintani, S., Yanagidaira, H.:"Optimum combination of amplitude and phase
modulation scheme and its application to transmission modems" Conference Record
IEEE Int. Conference on Communications, June 1972, Philadelphia, Seiten 29-6 bis
29-11).
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Es ist außerdem bekannt, 16-PSK/ASX-Systeme durch Mischung der Quadraturträger
sin #ct und cos #ct mit 4-stufigen Basisbandsignalen, die aus 24=16 übertragungsschritten
in einem Kodierer erzeugt werden, herzustellen, oder sogenannte Superpositionsmodulatoren
zu verwenden (Lorek, Werner:
nEin 16-rAM-FIodem für 140-Mbit/s -
Xichtfunke Techn.
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Bericht des FI beim FTZ, 445 TBr 20, Mai 1981).
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Es ist an sich auch bereits bekannt, die radiofrequente Trägerfrequenz
und den Signalbittakt der Basisbandsignale einander gleichzusetzen, um eine vereinfachte
Wiedergewinnung des Bittaktes auf der Empfangseite zu erreichen. (Conf. Proc. der
10. Europäischen Kikrowellenkonferenz 1982, Seiten 715 bis 72¢).
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Möglichkeiten zur Erzeugung von m-PSK/ASK-Systemen mit m # 32, bzw.
von l-PSK/ASK-Systemen, deren Stufenzahl außerhalb der geometrischen Progression
gewählt werden kann, sind bisher nicht bekannt geworden.
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Andererseits wären (1=2n-k)-stufige Systeme, also z. B.
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7-stufige Systeme, im Hinblick auf die erforderliche Trägerleistung
besonders günstig.
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Nach dem Stand der Technik lassen sich durch QAM aus zwei n-stufigen
Basisbandaignalen gleicher Stufenzahl, die die Quadraturträger sin Wc t und cos
Wc t modulieren, nur m=n PSK/ASK-Zustände erzeugen, so daß dieses Verfahren nur
für n=2, n=3 (bei symmetrischen ternären Basisbandsignalen) und n=4 unmittelbar
verwendet werden kann. Ein allgemein gültiges und anwendbares Aufbausystem zur Erzeugung
von sowohl m-PSK/ASE- als auch l-PSK/ASK-Systemen ist nicht bekannt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein allgemeines Aufbausystem
zur Erzeugung m-stufiger und l-stufiger PSK/ASK-Systeme anzugeben, wobei deren mittlere
effektive und maximale Trägerleistung und der Bandbreitebedarf bei einer geforderten
Schrittfehler-Wahrscheinlichkeit klein ist und die Systeme mit möglichst geringem
technologischem Aufwand realisiert werden können. Diese
Aufgabe
wird bei einer gattungsmäßigen Einrichtung durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete
Erfindung gelöst Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß sie ein allgameines Aufbausystem zur -Erzeugung m-stufiger und l-stufiger, also
beliebig-stufiger PSK/ASK-Systeme darstellt, deren mittlere Trägerleistung nahezu
optimal ist und die mit geringem technologischem Aufwand realisiert werden können.
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Infolge der bevorzugten phasenstarren Kopplung von Bittakt (oder Schrittakt)
und Träger im Modulator ist im Demodulator eine separate Einrichtung zur Trägerableitung
nicht erforderlich.
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Bei einem 7-PSK/ASK-System nach der Erfindung ist zur Erznelung einer
Schrittfehler-Wahrscheinlichkeit von 1 10 7 die erforderliche mittlere effektive
Trägerleistung um 3 dB geringer als bei dem zitierten 8-PSE/ASK-System nach dem
Stand der Technik, bei einer Frequenzbandausnutzung von 2,4 3it/s pro Hz.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Fig. la bis 10 näher erläutert.
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Fig. 1a zeigt den Aufbau des Senderteils, Fig. 1b den Empfangsteil
eines m-bzw. l-PSE/ASE-Modems, Figo 2a zeigt den Phasenstern eines 8-PSK/ASg-Systeme,
wie er mit der Erfindung erzeugt wird und das Aufbauträger-System, Fig. 2b zeigt
den Phasenstern eines 8-PSK/ASK-Systems nach dem Stand der Technik, Fig. 3 zeigt
den Phasenstern eines 7-PSK/ASE-Systems nach der Erfindung und das Aufbauträger-System,
Fig.
4 zeigt den Phasenstern eines 16-PSK/ASE-Systems nach der Erfindung und das Aufbauträger-System,
Fig. 5 zeigt den Phasenstern eines 32-PSK/ASK-Systems nach der Erfindung und das
Aufbauträger-System, Fig. 6 zeigt den Phasenstern eines 64-PSK/ASK-Systems nach
der Erfindung und das Aufbauträgersystem, Fig. 7 zeigt den Verlauf der Schrittfehler-Wahrscheinlichkeit
der PSK/ASK-Systeme nach Fig. 2a bis Fig. 6 über dem Verhältnis mittlere effektive
Trägerleistung zu effektiver Rauschleistung bei weißem gaußverteiltem Rauschen,
Fig. 8 zeigt die Lage der PSK/ASK-Systeine nach Fig. 2a bis Fig. 6 in Bezug auf
die informationstheoretische Grenze nach Shannon, Fig. 9 zeigt die gemessenen Signalpunkte
eines 8-PSK/ASE-Phasensterns eines praktisch ausgeführten 8-PSK/ASK-Modulators im
Vergleich zu gerechneten Werten und Fig. 10 zeigt eine alternative Erzeugung der
Aufbauträgersyteme für 1-bzw. m-stufige PSK/ASK-Systeme.
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In dem Sendeteil nach Fig. 1a werden die aus der Datenquelle kommenden
seriellen binären Basisbandsignale in einem Serien-Pårallelwandler in n parallele
binäre symmetrische Basisbandsignale xij umgesetzt.
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Im Falle l-stufiger Signale ist nach der Serien-Parallel-Wandlung
eine Codierung zur Kennzeichnung der k nicht eindeutigen Übertragungschritte erforderlich.
Dies wird am Beispiel einer 7-PSK/ASK anhand von Fig. 3 noch genauer erläutert.
Der fallweise notwendige Codierer ist deshalb in Fig. 1a gestrichelt eingezeichnet.
Ggf. nach Durchlaufen des Codierers werden die n Basisbandsignale mit je einem der
n jeweils um#1...#nphasenverschobenen Sinusträger g1 (t) bis gn(t) amplitudenmoduliert.
Bei dieser Amplitudenmodulation werden die aus der Trägerfrequenz bekannten Ring--
modulatoren
verwendet, so daß der Träger im Spektrum nicht mehr erscheint. In einem Hybridkoppler
mit n Eingängen werden die n modulierten Signale entsprechend der Beziehung
(j = 2, 4, 8, ..., m bzw. j = 3, 5, 7, ..., 1) miteinander verknüpft.
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Die Sinus träger der Trägerfrequenz c werden mit Hilfe einer Phasenregelachleife
aus dem Bittaktsignal fbit (oder dem Schrittaktsignal fs) abgeleitet. Dazu wird
der aus der Datenquelle stammende Bittakt fbit (Schrittakt fs) in einem Phasenvergleichsglied
(z. B. MC 1240) mit einem in einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO (z. B.
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MC 1648) erzeugten Bittakt (Schrittakt) verglichen.
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Anstelle des Bittaktes fbit kann auch der Schrittakt fs = fbit verwendet
werden.
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n Tritt eine Phasenabweichung auf, so erscheint am Ausgang des Phasenvergleichsgliedes
ein Steuersignal, das den Oszillator VCO entsprechend nachstellt. In einem zweiten
Oszillator VCO wird der sinusförmige Träger fc erzeugt, der in der Phase ebenfalls
durch das vorgenannte Steuersignal nachgestellt wird. Damit ist eine phasenstarre
Kopplung zwischen Bittaktsignal (oder Schrittaktsignal) und Träger gewährleistet,
wobei die Trägerfrequenz fc das ganzzshlige Vielfache des Bittaktes (oder Schrittaktes)
darstellt, fc=µ.bit, fc =.fs.
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Das Aufbauträgersystem erhält man nan durch entsprechende Phasenverschiebung
der Trägerschwingungen zu
Aus dem Aufbauträgersystem nach Gl. 2 entstehen mit Gl.1
Modulatorausgangssignale. Die Modulatorausgangssignale gelengen über den Sendebandpass,
zur Unterdrückung der Außerband-Mischprodukte, und der ZF/RF-Umsetzung auf die Übertragungsstrecke.
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Jedes 8-PSK/ASK-System muß dabei folgenden Bedingungen genügen:
#1 bis #4 stellen die jeweiligen auf die Abszisse des Phasensternes bezogenen Winkel
dar.
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Pür andere m-bzw. l-stufige PSK/ASK-Systeme, die mit dem Verfahren
nach der Erfindung erzeugbar sind, können ent sprechende Bedingungen ermittelt werden0
Im
Demodulator nach Fig. Ib wird nach der RF/ZF-Umsetzung im Empfangsbandpass das Außerbandgeräusch
beseitigt. Die Ableitung des Bittaktsignals (oder Schrittaktsignals) erfolgt durch
Hüllkurvendemodulstion, da in der Hüllkurve des PSK/ASE-RF-Signals, infolge von
Schaltungsunzulänglichkeiten, immer auch Vielfache des Schrittaktsignals enthalten
sind.
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Diese Eigenschaft wurde auch in Charles E. Hogge Jr.
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Carrier and Clock Recovery for 8 PSK Synchronous Demodulation" IEEE
Transactions on Communications, VOL-COM-26, No. 5, May 1978, Seiten 528 bis 533
zur Bittaktableitung benutzt.
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Das Hüllkurvensignal wird zur Selektion des sinusförmigen Bittaktsignals
(Schrittaktsignals) einem Schwingkreisfilter zugeführt und danach in ein Rechtecksignal
umgesetzt. Bittakt , Schrittakt und synchroner Träger lassen sich nun, infolge ihrer
phasenstarren Kopplung, mit der gleichen Phasenregelschleife wiedergewinnen, wie
sie auch im Modulator benutzt wurde.
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Die Mischung der Quadraturträger sinXct und cosXct mit dem Empfangssiganl
und anscließende Tiefpassfilterung liefern die Basisband-Amplitudenwerte
und
die jeweils zusammen n Bit repräsentieren.
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In >-stuSigen ( # = Anzahl der verschiedenen Sinus-bzw.
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Kosinuskomponenten des verwendeten PSK/ASK-Systems) Amplituden-Entscheidern
(z. B. Fensterkomparator nach u. Tietze, Ch. Schenk "Halbleiterschaltungstechnik",
Springer - Verlag 1980, Seite 143) werden aus den beiden Basisband-Amplitudenwerten
Signale gewonnen, aus denen in der nachfolgenden Logikschaltung die zugehörigen
n-Bit-Werte erzeugt werden. über einen Parallel-Serie-Umsetzer gelangen die demodulierten
Binärsignale zur Datensenke.
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Im Falle der l-PSK/ASK ist zwischen der Logikschaltung und der Parallel/Serie-Umsetzung
eine Decodierung zur Kennzeichnung der k nicht eindeutigen Übertragungsschritte
erforderlich. Dies wird im folgenden bei einer 7-PSK/ASK anhand von Fig. 3 erläutert.
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Das 8-PSK/ASK-System nach Fig. 2a, das nach der Erfindung erzeugt
wurde, hat die gleiche mittlere effektive Trägerleistung wie das in Fig. 2b dargestellte
System nach dem Stand der Technik.
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Die maximale Trägerleistung beträgt beim System nach Fig. 2a Cmax
= 9R2 und beim System nach Fig. 2b tmax = 8R2.
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R ist der kleinste Abstand zwischen einem Signalspitzenwert und der
zugehörigen Entscheidergrenze (Entscheidungs spielraum).
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Fig. 3 zeigt-die Trägeranordnung eine 7-PSK/ASE-Systems.
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Die mittlere effektive Trägerleistung ist
die maximale Trägerleistung ergibt sich zu Cmax = 4R2 Die Signalzustände s3 und
s6 nach Fig. 3 sind hierbei nicht eindeutig bestimmt. Sie lassen sich jedoch durch
eine einfache Codierung kennzeichnen.
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In einem 8-stufigen System treten im Basisband die Zustände - - -
# O O O - - + # O O L - + - # O L O - + + # O L L + - - # L O O + - + # L O L +
+ - # L L O + + + # L L L auf. Die Zustände L O L und 0 L 0 sind im 7-PSK/ASK-System
nach Fig. 3 nicht eindeutig bestimmt. Zur Kennzeichnung dieser Zustände werden deshalb
die Doppelschritte 0 L 0 und L O L übertragen. Man erhält somit 0 0 0 L L folgende
Kodierungstabelle Kodierer
Eingang Ausgang |
000 - - - 0 0 0 |
0 0 I -- )-- O 0 L |
O L O >~~~ - L rO-L O' |
la n.ru |
O L L ->- - 0 t 1j |
L O 0 - ) -- 1, O O |
L O L > lL L ß |
IL L wL' |
L L O - --- >-- - L L 0 |
L L L L -L L L |
Zur Dekodierung werden zwei aufeinanderfolgende Übertragungsschritte miteinander
logisch verknüpft, so daB zum Dekodierer die entsprechend umgekehrte Tabelle gehört.
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Durch dieses Kodierverfahren wird zwar der Bandbreiteausnutzungsgrad
des 7-PSK/ASK-Systems im Vergleich zum
zitierten 8-PSK/ASK-System
nach dem Stand der Technik von 3 Bit/s pro Hz auf 2,4 Bit/s pro Hz reutuziert, jedoch
ist die erforderliche mittlere effektive Trägerleistung -um z. B. eine Schrittfehler-Wahrscheinlichkeit
von 1 . 10-7 zu erreichen- beim 7-PSK/ASK-System um 3 dB geringer. In Fig. 4 ist
ein 16-PSK/ASK-System dargestellt mit der mittleren effektiven Drägerleistung
und der maximalen Trägerleistung
Fig. 5 zeigt ein 32-PSK/ASK-System mit der mittleren effektiven Trägerleistung
Die maximale Trägerleistung ist
Fig. 6 zeigt ein 64-PSE/ASK-System. Seine mittlere effektive Trägerleistung ist
und die maximale Trägerleistung ist
Die PSK/ASK-Systeme nach Fig. 2a und Fig. 3 bis Fig. 6 stellen nach der Erfindung
erzeugte Trägeranordnungen dar, deren mittlere effektive und maximale Trägerleistung
gering
ist. Es können außerdem für alle n beliebig viele andere
Trägerkonfigurationen ermittelt werden.
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Die Schrittfehler-Wahrscheinlichkeiten bei Gaußschem Rauschen als
Störer, wie sie in Fig. 7 dargestellt sind, wurden nach der in der Zeitschrift Frequenz
34 (1980) 8 S. 228 bis 233 "Zur Berechnung der Fehlerwahrscheinlichkeit bei Quadraturmodulationsverfahren
zur synchronen Datenübertragung" von Wolfgang Schmidt angegebenen Methode ermittelt.
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Für die Darstellung in Fig. 8 wurden PSK/ASK-Systeme unterstellt,
die als Basisbandsignale Nyquist-Impulse (raised cosine) verwenden mit einer äquivalenten
Rauschbandbreite Bäq = Vs.
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Die Grenzbeziehung bei digitaler Übertragung nach Shannon wird dann
Eb = mittlere Signalenergie/Bit n0 = Rauschleistungsdichte Vbit = Bitrate v5 = Schrittgeschwindigkeit
(Baudrate) Diese Beziehung ist in Fig. 8 grafisch dargestellt. Für eine Bitfehler-Wahrscheinlichkeit
von 1 10 7 ist die Lage der PSE/ASK-Systeme nach Fig. 2 bis Fig. 6 ind Fig. 8 angegeben.
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Der Phasenstern in Fig. 9 (nur Zeigerendpunkte sind gezeichnet), der
mit einem Experimentalaufbau erzeugt wurde, ist willkürlich gewählt, um die Realisierbarkeit
der Erfindung zu demonstrieren. Die gemessenen Istwerte der Zeigerendpunkte weichen
von den gerechneten Sollwerten nur geringfügig ab (+ 10 in der Phase; 0,26 dB in
der Amplitude,
In Fig. 10 ist eine alternative Realisierung der
Aufbauträger für PSK/ASK-Systeme aufgezeigt, bei der nur ein Phasenschieber benötigt
wird.
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Für jedes erzeugbare PSK/ASK-System läßt sich ein Kode für die Amplituden
des Aufbaüträgersystems in Quadraturdarstellung angeben, a11, a12, a21, a31, a32,...,
an1, an2 Der Kode für das Aufbauträgersystem des 8-PSK/ASK-Systems nach Fig. 2a
lautet a11=1,5d, a12=0, a21=1,5d, a22=1,5d, a31=1,5d, a32=-1,5d und für das Aufbauträgersystem
des 7-PSK/ASK-Systems nach Fig. 3 a11=2,25d, a12=0, a21=2d, a22=1,125d, a31=2d,
a32=-1,125d d = reelle Konstante In Fig. 11 sind die entsprechenden Amplituden durch
Potentiometer eingestellt. Je zwei auf diese Weise eingestellte Amplituden sind
auf je einen Hybridkoppler geschaltet. Bei dieser Anordnung ist lediglich ein Phasenschieber
notwendig, um die jeweils rechten Eingänge der Hybridkoppler in der Phase um #/2
zu verschieben.