DE3508045C2 - Adaptiver Entzerrer für orthogonal modulierte Digitalsignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zugehörige Anordnung für Quadratur- oder PSK-Nachrichtenübertragungssysteme zur empfangsseitigen adaptiven Kompensation von Verzerrungen im Basisband, welche in der Normal- und in der Quadraturkomponente durch insbesondere zeitvariantes Übersprechen zwischen den ursprünglichen Komponenten eines orthogonal modulierten Digitalsignals entstanden sind.

Bei der Übertragung dieser Digitalsignale über ein aus Sender, Empfänger und Übertragungsstrecke mit ggf. einem oder mehreren Regeneratoren bestehendes Übertragungssystem entstehen Verzerrungen ursächlich durch Phasenfehler der Trägerfrequenz, die durch Störungen zwischen Sender und Empfänger, also auf der Übertragungsstrecke entstehen. Diese Phasenfehler bewirken eine Verkleinerung der sogenannten Augen der aus einer Normalkomponente und einer Quadraturkomponente bestehenden Digitalsignale durch Übersprechen zwischen diesen beiden Komponenten, was nur bis zu einem bestimmten Grad durch genaue Justierung der Entscheider innerhalb der Empfänger bzw. Regeneratoren ausgeglichen werden kann.

Bei über diese Grenze hinausgehenden Phasenfehlern ist eine (sichere) Detektierung der Digitalsignale nicht mehr möglich. Mit einem in die Übertragungsstrecke eingefügten Entzerrer können diese Phasenfehler kompensiert werden.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen festeingestellten und adaptiven Entzerrern. Wenn die verzerrenden Eigenschaften der Übertragungsstrecke zeitlich invariant sind, kommen Entzerrer mit statisch voreingestellten Parametern in Betracht. In diesem Fall kann auch eine Vorentzerrung auf der Sendeseite erfolgen. Überwiegend handelt es sich jedoch um Übertragungsstrecken, deren Parameter (Dämpfungs- und Phasenverlauf) sich zeitlich ändern. In diesen Fällen muß empfangsseitig eine entsprechende Korrektur erfolgen. Die dazu verwendeten Regelkreise führen den Entzerrer nach Maßgabe eines Nutzsignals (Effektivwertauswertung) so nach, daß die Augen der Digitalsignale optimiert sind.

Als Stand der Technik sind zwei Verfahren zur adaptiven empfangsseitigen Korrektur von Verzerrungen aus den nachfolgenden Literaturstellen bekannt: W. Schmidt, "An automatic adaptive equalizer for digital data transmission", IEEE International Symposium on Circuits and Systems, may 1978, NY;

H. Bessai, W. Lorek, H. F. Roeder, "A modified 9-QAM modem with a new type of adaptive equalizer", Conf. Rec. Globecom 1983, San Diego, Seite 40 bis 44.

Beide Verfahren haben den Nachteil, daß sie mit frequenzabhängigen Baugruppen arbeiten und dadurch einen hohen Schaltungsaufwand erfordern. Obwohl die letztgenannte Entzerrung mikrocomputer-gesteuert ist, gelingt es mit keinem dieser beiden Verfahren, einen Phasenfehler vollständig zu kompensieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, orthogonal modulierte Digitalsignale auf einfache Weise mit frequenzunabhängigen Baugruppen adaptiv derart zu entzerren, daß die 1. Nyquist-Bedingung voll eingehalten wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die infolge von Phasenfehlern der Trägerfrequenz empfangsseitig auftretenden Verzerrungen der Digitalsignale vollständig kompensiert werden und dadurch die Augen dieser Digitalsignale optimal für die nachfolgenden Entscheider innerhalb eines Empfängers eingestellt werden und daß auch bei zeitvarianten Phasenfehlern keinerlei Übersprechen der beiden Komponenten untereinander verbleibt.

Durch die adaptive Entzerrung nach der Erfindung erhöht sich abhängig vom Phasenfehler zwangsläufig der Pegel der entzerrten Normalkomponente und der Pegel der entzerrten Quadraturkomponente.

Um bei großen Phasenfehlern ein Nachführen der Schaltschwellen der (Amplituden-) Entscheider des Empfängers zu erübrigen, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung am Ausgang des Entzerrers hinter dem Abgriff zum Effektivwertgleichrichter, also unmittelbar vor dem Entscheider jeweils ein Pegelkonstanthalter (AGC-Schaltungen, automatic gain control) in Reihe geschaltet, welcher den Pegel der entzerrten Komponente konstant hält.

Die Erfindung wird anhand von Fig. 1 bis 3 im folgenden näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Entstehen und Kompensieren eines Phasenfehlers im Prinzip,

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Entzerrers und

Fig. 3 zeigt Oszillogramme einer verzerrten und einer entzerrten Komponente des Digitalsignals.

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein theoretisches Modell, das die Auswirkungen eines Trägerphasenfehlers als Verzerrung der Normal- und Quadraturkomponente bzw. als Übersprechen dieser beiden Komponenten untereinander beschreibt.

Dieses im oberen Teil von Fig. 1 dargestellte Modell besteht aus einem ersten Längszweig 1 für die Normalkomponente u1 und einem zweiten Längszweig 2 für die Quadraturkomponente u2 des Digitalsignals, welches als beide Komponenten beinhaltendes Orthogonalsignal über die Übertragungsstrecke übertragen wird.

Ein Trägerphasenfehler des Winkels ψ, der in diesem Modell im Störungsblock 3 auf das Orthogonalsignal einwirkt, verändert im ersten Längszweig 1 die Normalkomponente u1 in eine im Pegel verringerte Normalkomponente u1cosψ und die Quadraturkomponente u2 im zweiten Längszweig 2 in eine ebenfalls im Pegel verringerte Quadraturkomponente u2cosψ. Zusätzlich zu diesen Pegelverzerrungen tritt im ersten Längszweig 1 ein erstes Übersprechsignals u2sinψ der Quadraturkomponente u2 auf und das Signal im zweiten Längszweig 2 u2cosψ verringert sich um ein zweites Übersprechsignal u1sinψ der Normalkomponente u1.

Es stehen daher nach der zur Demodulation notwendigen realen Trennung des Orthogonalsignals im Basisband vor dem Entzerrer mit nachgeschaltetem Empfänger oder Regenerator 6 (unterer Teil in Fig. 1) die verzerrte Normalkomponente u1′=u1cosψ+u2sinψ im ersten Längszweig 1 und die verzerrte Quadraturkomponente u2′=u2cosψ-u1sinψ im zweiten Längszweig 2 an.

Die Entzerrung der verzerrten Normalkomponente u1′ und der verzerrten Quadraturkomponente u2′ wird durch gewolltes Übersprechen mittels Schaltgliedern (4, 5) mit tan-Verhalten erreicht, d. h. ein bestimmter Anteil der über den ersten Längszweig 1 ankommenden verzerrten Normalkomponente u1′ wird über ein erstes Tangensglied 4 der über den zweiten Längsweg 2 ankommenden verzerrten Quadraturkomponente u2′ zuaddiert und die verzerrte Normalkomponente u1′ im ersten Längszweig 1 wird um den gleichen bestimmten Anteil der über ein zweites Tangensglied 5 vom zweiten Längszweig 2 her kommenden verzerrten Quadraturkomponente u2′ erniedrigt.

Nach den Formeln:

beinhalten die Ausgangssignale u1′′ und u2′′ des Entzerrers keine Übersprechanteile der jeweils anderen Komponente.

Eine in Fig. 2 gezeigte konkrete Ausführungsform des Entzerrers berücksichtigt, daß bei kleinen Winkeln ψ der Wert tanψ dem Wert arcψ als Näherung mit vernachlässigbar kleinem Fehler gleichzusetzen ist. Für die Realisierung des Entzerrers sind deshalb die theoretisch notwendigen Tangensglieder durch Pegelsteller 7, 8 und nachfolgende Trennverstärker 9, 10 mit linearer Charakteristik ersetzt.

Die verzerrte Normalkomponente u1′ am Eingang des Entzerrers gelangt über den ersten Längszweig 1 zum ersten Eingang eines ersten Addierglieds 11. Gleichzeitig gelangt ein Teil dieser verzerrten Normalkomponente u1′ über den ersten Pegelsteller 7 und den nichtinvertierenden Trennverstärker 9 zum zweiten Eingang eines zweiten Addierglieds 12. Die ebenfalls am Eingang des Entzerrers anstehende verzerrte Quadraturkomponente u2′ gelangt über den zweiten Längszweig 12 und gleichzeitig über den zweiten Pegelsteller 8 und den invertierenden Trennverstärker 10 zum zweiten Eingang des ersten Addierglieds 11. Dessen Ausgangssignal ist die entzerrte Normalkomponente u1′′ und das Ausgangssignal des zweiten Addierglieds 12 ist die entzerrte Quadraturkomponente u2′′.

Die zur Entzerrung notwendige Subtraktion des Anteils der verzerrten Quadraturkomponente u2′ von der verzerrten Normalkomponente u1′ erfolgt durch die Phasendrehung um 180° im invertierenden Trennverstärker 10.

Da die Normalkomponente u1 und die Quadraturkomponente u2 vor ihrer Verzerrung auf der Übertragungsstrecke (Fig. 1) in ihren Pegeln gleiche Effektivwerte haben, müssen die entzerrten Komponenten u1′′ und u2′′ bei einer vollständigen Entzerrung ebenfalls gleiche Effektivwerte aufweisen.

Deshalb werden die entzerrte Normalkomponente u1′′ und die entzerrte Quadraturkomponente u2′′ hinter den Addiergliedern 11 und 12 abgegriffen, in jeweils einem Effektivwertgleichrichter 13, 14 gleichgerichtet und einem Differenzverstärker 15 zugeführt. Bei Ungleichheit dieser Effektivwerte veranlaßt der Differenzverstärker 15 die den Trennverstärkern 9 und 10 vorgeschalteten Pegelsteller 7 und 8, ihre Dämpfung soweit gleichmäßig zu erniedrigen oder zu erhöhen, bis am Eingang des Differenzverstärkers 15 gleiche Pegel anliegen.

Die vollständig entzerrte Normalkomponente u1′′ und die entzerrte Quadraturkomponente u2′′ beinhalten dann zwar keine Übersprechanteile mehr, sind aber um den Faktor in ihrem Pegel größer als die ursprüngliche Komponente u1 bzw. u2.

Um ein Nachstellen der Schwellenpegel der Amplitudenentscheider des Empfänger bzw. Regenerators 6 in Abhängigkeit von der Phasenverzerrung der Trägerfrequenz entbehrlich zu machen, ist in jedem Längszweig 1, 2 am Ausgang des Entzerrers hinter dem Abgriff zum Effektivwertgleichrichter 13 bzw. 14 jeweils ein Pegelkonstanthalter 16 bzw. 17 (automatic-gain-control) in Reihe geschaltet.

Dieser macht die Anhebung des Pegels der betreffenden entzerrten Komponente u1′′ bzw. u2′′ rückgängig, so daß an den Eingängen des Empfängers 6 der ursprüngliche Pegel der Normalkomponente u1 und der Quadraturkomponente u2 herrscht.

Fig. 3a zeigt ein Oszillogramm der verzerrten Normal- bzw. Quadraturkomponente. Eine einwandfreie Detektion dieses Signals ist aufgrund der starken Ablage der Trägerphase nicht möglich, da die sogenannten Augen des Digitalsignals vollständig geschlossen sind.

Fig. 3b zeigt ein Oszillogramm der gleichen, nunmehr entzerrten Komponente. Eine fehlerfreie Abtastung des Digitalsignals ist in Augenmitte dieser Komponente ohne weiteres gegeben. Diese ist vermittels der Erfindung derart entzerrt, daß die 1. Nyquist-Bedingung voll eingehalten wird.

In einem labormäßigen Aufbau des Entzerrers wird ein Übersprechen kompensiert, das auf statische Phasenfehler der Trägerfrequenz bis zu Winkeln von ψ=20° zurückzuführen ist.

Claims (8)

1. Verfahren für Quadratur- oder PSK-Nachrichtenübertragungssysteme zur empfangsseitigen adaptiven Kompensation von Verzerrungen im Basisband, welche in der Normal- und in der Quadraturkomponente durch insbesondere zeitvariantes Übersprechen zwischen den ursprünglichen Komponenten eines orthogonal modulierten Digitalsignals entstanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei trägerphasenfehlerbedingten Verzerrungen zur Entzerrung der Normalkomponente (u1′ in Fig. 1) und der Quadraturkomponente (u2′) ein in Abhängigkeit von der Differenz ihrer Effektivwerte und damit vom Trägerphasenfehler ψ definierter Teil der verzerrten Quadraturkomponente (u2′) von der verzerrten Normalkomponente (u1′) subtrahiert wird und daß ein ebenso definierter Teil der verzerrten Normalkomponente (u1′) zu der verzerrten Quadraturkomponente (u2′) addiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu subtrahierende bzw. zu addierende Anteil der betreffenden verzerrten Komponente über jeweils einen Diagonalzweig (4 bzw. 5 in Fig. 1 oder 7, 9 und 12 bzw. 8, 10 und 11 in Fig. 2) eines X-Gliedes geführt wird, dessen Übertragungsverhalten bezüglich des Trägerphasenfehlers (ψ) eine tan 1-Charakteristik hat bzw. für kleine ψ linear ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Effektivwerte der Pegel der entzerrten Normalkomponente (u1′′) und der entzerrten Quadraturkomponente (u2′′) auf Gleichheit überwacht werden und daß bei Überwiegen des Effektivwertes der entzerrten Normalkomponente (u1′′) gegenüber dem der Quadraturkomponente (u2′′) der zu subtrahierende und der zu addierende Anteil der beiden Komponenten gleichmäßig erhöht bzw. im umgekehrten Fall entsprechend erniedrigt werden.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur adaptiven Entzerrung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Subtraktion des abgegriffenen Anteils der verzerrten Quadraturkomponente (u1′) einem ersten Addierglied (11 in Fig. 2) ein invertierender Trennverstärker (10) im Diagonalzweig vorgeschaltet ist, während zur Addition des abgegriffenen Normalkomponentenanteils zur verzerrten Quadraturkomponente (u2′) einem zweiten Addierglied (12) ein nichtinvertierender Trennverstärker (9) im anderen Diagonalzweig vorgeschaltet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Addierglieder (11, 12) als Widerstandsmatrix aufgebaut sind.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur adaptiven Entzerrung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vergleich der Effektivwerte der entzerrten Normalkomponente (u1′′) und der entzerrten Quadraturkomponente (u2′′) ein Differenzverstärker (15) vorgesehen ist, dessen beiden Eingängen jeweils ein Effektivwertgleichrichter (13, 14) vorgeschaltet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen des zu addierenden und des zu subtrahierenden Anteils der verzerrten Komponenten (u1′ und u2′) jedem Trennverstärker (9, 10) jeweils ein Pegelsteller (7 bzw. 8) vorgeschaltet ist, der vom Differenzverstärker (15) eingestellt wird.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Entzerrers hinter dem Abgriff zum Effektivwertgleichrichter (13 bzw. 14) jeweils ein Pegelkonstanthalter (16 bzw. 17) in Reihe geschaltet ist.