DE3243373C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein allgemein anwendbares Phasenumtastungs/Amplitudenumtastungs (PSK/ASK)-System mit beliebiger, sowohl innerhalb (m=2 ⁿ ) als auch außerhalb (l=2 ⁿ -k) einer geometrischen Progression wählbarer Stufenzahl m bzw. l(n=Anzahl der Bit/Übertragungsschritt, k=ganzzahlig).

Ein solches PSK/ASK System mit beliebig wählbarer Stufenzahl geht z. B. aus der DE-AS 20 56 670 oder der US 39 83 485 hervor.

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 90 Grad phasenverschobener Trägerschwingungen gleicher Frequenz zusammen, die getrennt amplitudenmoduliert werden. Die Spitze eines QAM-Vektors kann jedoch grundsätzlich nur m=n² Zustände in den Quadranten des Einheitskreises einnehmen. Es tritt gleichzeitig Amplitudenmodulation und Phasenmodulation auf. Die PSK/ASK-Modulation ist die bevorzugte Modulationsart im digitalen Richtfunk. Die mittlere effektive und maximale Trägerleistung der m-stufigen und l-stufigen PSK/ASK-Systeme zur Erzielung einer vorgegebenen Schrittfehler-Wahrscheinlichkeit (von z. B. 1 · 10^-7) soll bei dieser Modulationsart möglichst klein sein und der Bandbreitebedarf soll möglichst gering sein. Dies ist besonders bei Anwendung im Satellitenfunk von Bedeutung.

Bekannt ist die Erzeugung von 8-PSK/ASK-System, wobei Phasenmodulation und Amplitudenmodulation nacheinander durchgeführt werden (Kawai, K., Shintani, S., Yanagidaira, H.: "Optimum combination of amplitude and phase modulation scheme and its application to data transmission modem" Conference Record IEEE Int. Conference on Communications, June 1972, Philadelphia, Seiten 29-6 bis 29-11).

Es ist außerdem bekannt, 16-PSK/ASK-Systeme durch Mischung der Quadraturträger sin ω _c t und cos ω _c t mit 4-stufigen Basisbandsignalen, die aus 2⁴=16 Übertragungsschritten in einem Kodierer erzeugt werden, herzustellen, oder sogenannte Superpositionsmodulatoren zu verwenden (Lorek, Werner: "Ein 16-QAM-Modem für 140-Mbit/s-Richtfunksystem" Techn. Bericht des FI beim FTZ, 445 TBr 20, Mai 1981).

Möglichkeiten zur Erzeugung von m-PSK/ASK-Systemen mit m=32, bzw. von l-PSK/ASK-Systemen, deren Stufenzahl außerhalb der geometrischen Progession gewählt werden kann, sind bisher nicht bekannt geworden.

Andererseits wären (l=2 ⁿ -k)-stufige Systeme, also z. B. 7-stufige Systeme, im Hinblick auf die erforderliche Trägerleistung besonders günstig.

Nach dem Stand der Technik lassen sich durch QAM aus zwei n-stufigen Basisbandsignalen gleicher Stufenzahl, die die Quadraturträger sin ω _c t und cos ω _c t modulieren, nur m=n² 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/ASK- als auch l-PSK/ASK-Systemen ist nicht bekannt.

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.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß sie ein allgemeines 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 kann.

Infolge der bevorzugten phasenstarren Kopplung von Bittakt (oder Schrittakt) und Träger im Modulator ist im Demodula­ tor eine separate Einrichtung zur Trägerableitung nicht erforderlich.

Bei einem 7-PSK/ASK-System nach der Erfindung ist zur Er­ zielung einer Schrittfehler-Wahrscheinlichkeit von 1 · 10^-7 die erforderliche mittlere effektive Trägerleistung um 3 dB geringer als bei dem zitierten 8-PSK/ASK-System nach dem Stand der Technik, bei einer Frequenzbandausnutzung von 2,4 Bit/s pro Hz.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Fig. 1a bis 10 näher erläutert.

Fig. 1a zeigt den Aufbau des Senderteils Fig. 1b den Empfangsteil eines m-bzw. l-PSK/ASK-Modems,

Fig. 2a zeigt den Phasenstern eines 8-PSK/ASK-Systems, 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/ASK-Systems nach der Erfindung und das Aufbauträger-System,

Fig. 4 zeigt den Phasenstern eines 16-PSK/ASK-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-Wahrschein­ lichkeit 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-Systeme nach Fig. 2a bis Fig. 6 in bezug auf die informationstheoretische Grenze nach Shannon,

Fig. 9 zeigt die gemessenen Signalpunkte eines 8-PSK/ASK- Phasensterns eines praktisch ausgeführten 8-PSK/ASK-Mo­ dulators im Vergleich zu gerechneten Werten und

Fig. 10 zeigt eine alternative Erzeugung der Aufbauträger­ systeme für l- bzw. m-stufige PSK/ASK-Systeme.

In dem Sendeteil nach Fig. 1a werden die aus der Daten­ quelle kommenden seriellen binären Basisbandsignale in einem Serien-Parallelwandler in n parallele binäre symme­ trische Basisbandsignale xÿ umgesetzt.

Im Falle l-stufiger Signale ist nach der Serien-Parallel- Wandlung eine Codierung zur Kennzeichnung der k nicht ein­ deutigen 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 ϕ1 . . . ϕ n phasenverschobenen Sinusträger g1(t) bis gn(t) amplitudenmoduliert. Bei dieser Amplitudenmodu­ lation 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, . . ., l)
miteinander verknüpft.

Die Sinusträger der Trägerfrequenz f _c werden mit Hilfe einer Phasenregelschleife 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. MC 1648) erzeugten Bittakt (Schrittakt) verglichen. Anstelle des Bittaktes fbit kann auch der Schrittakt fs= verwendet werden.

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 f _c erzeugt, der in der Phase ebenfalls durch das vorgenannte Steuer­ signal nachgestellt wird. Damit ist eine phasenstarre Kopplung zwischen Bittaktsignal (oder Schrittaktsignal) und Träger gewährleistet, wobei die Trägerfrequenz f _c das ganzzahlige Vielfache des Bittaktes (oder Schrittaktes) darstellt, fc=µ · fbit, fc=ν · fs.

Das Aufbauträgersystem erhält man nun durch entsprechende Phasenverschiebung der Trägerschwingungen zu

Aus dem Aufbauträgersystem nach Gl. 2 entstehen mit Gl.1

Modulatorausgangssignale. Die Modulatorausgangssignale gelangen über den Sendebandpaß, zur Unterdrückung der Außerband-Mischprodukte, und der ZF/RF-Umsetzung auf die Übertragungsstrecke.

Jedes 8-PSK/ASK-System muß dabei folgenden Bedingungen genügen:

₂ cos ϕ₂+ ₃ cos ϕ₃- ₁ cos ϕ₁- ₄ cos ϕ₄=0

₂ sin ϕ₂+ ₃ sin ϕ₃- ₁ sin ϕ₁- ₄ sin ϕ₄=0

ϕ₁ bis ϕ₄ stellen die jeweiligen auf die Abszisse des Phasensternes bezogenen Winkel dar.

Für andere m- bzw. l-stufige PSK/ASK-Systeme, die mit dem Verfahren nach der Erfindung erzeugbar sind, können ent­ sprechende Bedingungen ermittelt werden.

Im Demodulator nach Fig. 1b wird nach der RF/ZF-Um­ setzung im Empfangsbandpaß das Außerbandgeräusch beseitigt. Die Ableitung des Bittaktsignals (oder Schrittaktsignals) erfolgt durch Hüllkurvendemodula­ tion, da in der Hüllkurve des PSK/ASK-RF-Signals, infolge von Schaltungsunzulänglichkeiten, immer auch Vielfache des Schrittaktsignals enthalten sind. Diese Eigenschaft wurde auch in Charles E. Hogge Jr. "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 Bit­ taktableitung benutzt.

Das Hüllkurvensignal wird zur Selektion des sinusför­ migen Bittaktsignals (Schrittaktsignals) einem Schwing­ kreisfilter 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.

Die Mischung der Quadraturträger sin ω ct und cos ω ct mit dem Empfangssignal und anschließende Tiefpaßfilterung liefern die Basisband-Amplitudenwerte

und

die jeweils zusammen n Bit repräsentieren. In ν-stufigen (ν=Anzahl der verschiedenen Sinus-bzw. Kosinuskomponenten des verwendeten PSK/ASK-Systems) Amplituden-Entscheidern (z. B. Fensterkomparator nach u. Tietze, Ch. Schenk "Halbleiterschaltungstechnik", Springer-Verlag 1980, Seite 413) 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.

Im Falle der l-PSK/ASK ist zwischen der Logikschaltung und der Parallel/Serie-Umsetzung eine Decodierung zur Kennzeichnung der k nicht eindeutigen Übertragungs­ schritte erforderlich. Dies wird im folgenden bei einer 7-PSK/ASK anhand von Fig. 3 erläutert.

Das 8-PSK/ASK-System nach Fig. 2a, das nach der Er­ findung erzeugt wurde, hat die gleiche mittlere effektive Trägerleistung wie das in Fig. 2b dargestellte System nach dem Stand der Technik.

Die maximale Trägerleistung beträgt beim System nach Fig. 2a

C _max=9R²

und beim System nach Fig. 2b

C _max=8R².

R ist der kleinste Abstand zwischen einem Signalspitzen­ wert und der zugehörigen Entscheidergrenze (Entscheidungs­ spielraum).

Fig. 3 zeigt die Trägeranordnung eines 7-PSK/ASK-Systems. Die mittlere effektive Trägerleistung ist

die maximale Trägerleistung ergibt sich zu

C _max=4R².

Die Signalzustände s₃ und s₆ nach Fig. 3 sind hierbei nicht eindeutig bestimmt. Sie lassen sich jedoch durch eine einfache Codierung kennzeichnen.

In einem 8-stufigen System treten im Basisband die Zustände

auf. Die Zustände L0L und 0L0 sind im 7-PSK/ASK- System nach Fig. 3 nicht eindeutig bestimmt. Zur Kenn­ zeichnung dieser Zustände werden deshalb die Doppel­ schritte

übertragen. Man erhält somit folgende Kodierungstabelle

Zur Dekodierung werden zwei aufeinanderfolgende Übertra­ gungsschritte miteinander logisch verknüpft, so daß zum Dekodierer die entsprechend umgekehrte Tabelle gehört. Durch dieses Kodierverfahren wird zwar der Bandbreiteaus­ nutzungsgrad 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 reduziert, je­ doch ist die die erforderliche mittlere effektive Träger­ leistung - um z. B. eine Schrittfehler-Wahrscheinlich­ keit 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 Trägerleistung

und der maximalen Trägerleistung

C _max=18R².

Fig. 5 zeigt ein 32-PSK/ASK-System mit der mittleren effektiven Trägerleistung

Die maximale Trägerleistung ist

C _max=24,5R².

Fig. 6 zeigt ein 64-PSK/ASK-System. Seine mittlere effektive Trägerleistung ist.

und die maximale Trägerleistung ist

C _max=49R².

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.

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 Fehler­ wahrscheinlichkeit bei Quadraturmodulationsverfahren zur synchronen Datenübertragung" von Wolfgang Schmidt angegebenen Methode ermittelt.

Für die Darstellung in Fig. 8 wurden PSK/ASK-Systeme unterstellt, die als Basisbandsignale Nyquist-Impulse (raised cosine) verwenden mit einer äquivalenten Rausch­ bandbreite B _äq=v _s.

Die Grenzbeziehung bei digitaler Übertragung nach Shannon wird dann

E _b=mittlere Signalenergie/Bit
n _o=Rauschleistungsdichte
v _bit=Bitrate
v _s=Schrittgeschwindigkeit (Baudrate)

Diese Beziehung ist in Fig. 8 grafisch dargestellt. Für eine Bitfehler-Wahrscheinlichkeit von 1 · 10^-7 ist die Lage der PSK/ASK-Systeme nach Fig. 2 bis Fig. 6 in der Fig. 8 an­ gegeben.

Der Phasenstern in Fig. 9 (nur Zeigerendpunkte sind ge­ zeichnet), der mit einem Experimentalaufbau erzeugt wurde, ist willkürlich gewählt, um die Realisierbarkeit der Er­ findung zu demonstrieren. Die gemessenen Istwerte der Zei­ gerendpunkte weichen von den gerechneten Sollwerten nur geringfügig ab (±1° in der Phase; 0,26 dB in der Amplitude).

In Fig. 10 ist eine alternative Realisierung der Aufbau­ träger für PSK/ASK-Systeme aufgezeigt, bei der nur ein Phasenschieber benötigt wird.

Für jedes erzeugbare PSK/ASK-System läßt sich ein Kode für die Amplituden des Aufbauträgersystems in Quadratur­ darstellung angeben,

a₁₁, s₁₂, a₂₁, a₃₁, a₃₂, . . ., a _n1, a _n2.

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 Potentio­ meter 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 zu verschieben.

Claims (4)

1. Phasenumtastungs/Amplitudenumtastungs (PSK/ASK)-System mit beliebiger, sowohl innerhalb (m=2 ⁿ ) als auch außerhalb (l=2 ⁿ -k) einer geometrischen Pro­ gression wählbarer Stufenzahl m bzw. l (n=Anzahl der bit/Übertragungsschritt, k=ganzzahlig), dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig n parallele, binäre Basisbandsignale mit n um jeweils die Winkel ϕ₁-ϕ _n phasenverschobenen Sinus­ trägern g _n(t) der ein ganzzahliges Vielfaches des Bit­ taktes fbit oder Schrittaktes fs darstellenden Träger­ frequenz f _c in n Ringmodulatoren amplitudenmoduliert werden und in einem Hybridkoppler mit n Eingängen zu einem m=2 ⁿ -stufigen PSK/ASK-Sendesignal oder - bei sendeseitiger Codierung und empfangsseitiger Decodie­ rung der k nicht eindeutigen Signalzustände - zu einem l=(2 ⁿ -k)-stufigen PSK/ASK-Sendesignal miteinander ver­ knüpft werden (Fig. 1a).

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfrequenz f _c für die Sinusträger g _n(t) und der Bit- oder Schrittakt (fbit=n · fs) durch eine Phasen­ regelschleife phasenstarr miteinander gekoppelt sind (f _c=ν · fs oder f _c=µ · fbit;ν,µ=ganzzahlig, Fig. 1a).

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig die Trägerfrequenz f _c aus der Spektral­ linie des mit einem Schwingkreisfilter aus der Hüll­ kurve des Empfangssignals abgeleiteten Bit- oder Schrittaktes mit Hilfe einer einfachen Phasenregel­ schleife wiedergewonnen wird (Fig. 1b).

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einem l=(2 ⁿ -k)=7-stufigen PSK/ASK- System der eine nicht eindeutige PSK/ASK-Zustand durch jeweils zwei aufeinanderfolgende Übertragungsschritte geeigneter Codierung erzeugt wird (Fig. 3).