DE3853782T2

DE3853782T2 - Vorrichtung und verfahren zur modulierung in quadratur.

Info

Publication number: DE3853782T2
Application number: DE3853782T
Authority: DE
Inventors: Clifford Leitch
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1988-01-11
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1995-11-23
Anticipated expiration: 2008-12-17
Also published as: CA1314080C; US4816783A; EP0400027A4; JPH0681169B2; WO1989006460A1; JPH04501042A; DE3853782D1; ATE122517T1; EP0400027B1; EP0400027A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Ein Teil der Offenbarung/Beschreibung dieses Patentdokumentes enthält Material, das Copyright-Schutz unterliegt. Der Eigentümer des Copyrights hat keine Einwände gegen die Faksimile- Wiedergabe oder das Kopieren des Patentdokumentes oder der Patentbeschreibung, wie sie in den Akten des Patentamts oder den dortigen Aufzeichnungen erscheint, behält sich jedoch sonst alle Copyright-Rechte vor.
Diese Erfindung betrifft Quadratur-Amplitudenmodulations- Systeme im allgemeinen, und insbesondere ein System, bei welchem Signalkomponenten auf einen Hilfsträger moduliert werden, um zu ermöglichen, daß Träger- und BitSync-Information in der Mitte des übertragenen Frequenzspektrums eingeschlossen sind. Bei einem für Funksendung ausgelegten Quadratur-Modulationssystems ist es erwünscht, einen Pilotträger zu senden, um den Empfang und das Dekodieren der gesendeten Information zu erleichtern. Es ist zwar bekannt, einen Leistungsträger zu senden, doch wurden derartige Träger als eine Seitenfrequenz zu dem quadratur-amplitudenmodulierten Signal hinzugefügt. Bei dieser Vorgehensweise bestehen jedoch Begrenzungen und Nachteile. Infolge des Selektivschwundes, wie er an einem Funkweg auftreten kann, können Probleme entstehen, wenn der Pilotträger Abstand von der Signalinformation besitzt. Zusätzlich treten Probleme auf infolge Begrenzungen im Durchlaßband von Empfängern insoweit, als das Pilotträger-Signal zu nahe an die Filterkante des Empfängers oder sogar außerhalb dieser kommen kann. Demzufolge ist es erwünscht, einen derartigen Pilotträger eher zentral in dem gesendeten Frequenzspektrum anzuordnen.
Wenn digitale Information in Synchronweise zu senden ist, kann Kanalschwund und -Rauschen die Aufrechterhaltung des BitSync verhindern. Bei einem solchen System ist es deswegen erwünscht, ein BitSync-Signal mit der Daten-Synchroninformation zu senden. Wie der Pilotträger, sollte auch das BitSync-Signal so nahe wie möglich am Zentrum des gesendeten Frequenzspektrums vorgesehen werden.
US-PS 4 680 777 beschreibt ein Verfahren für die Quadratur- Modulation.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Senden eines quadratur-amplitudenmodulierten Signals geschaffen mit den Schritten: Quadraturmodulieren erster und zweiter Signale auf einen ersten Hilfsträger; Quadraturmodulieren dritter und vierter Signale auf einen zweiten Hilfsträger, und gekennzeichnet durch die Schritte: Schaffen einer Gleichstromkomponente mit einem der quadraturmodulierten Hilfsträger zum Erzeugen eines Pilotträgers; Quadraturmodulieren des ersten und des zweiten quadraturmodulierten Hilfsträgers auf einen Träger; und Senden des quadraturmodulierten Trägers als ein Funksignal.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Senden eines quadratur-amplitudenmodulierten Signals geschaffen, das gekennzeichnet ist durch: Auslesen erster und zweiter Prototyp-Impulse, die jeweils eine Hilfsträger-Komponente enthalten, aus einem Speicher; Summieren des ersten und des zweiten Prototyp-Impulses zur Erzeugung eines ersten quadraturmodulierten Hilfsträgers; Auslesen dritter und vierter Prototyp-Impulse, die jeweils eine Hilfsträger-Komponente enthalten aus dem Speicher; Summieren des dritten und des vierten Prototyp-Impulses zum Erzeugen eines zweiten quadraturmodulierten Hilfsträgers; Quadraturmodulieren eines Trägers mit dem ersten und dem zweiten quadraturmodulierten Hilfsträger; Summieren eines Versatzes zu einem der summierten Impulse vor dem Quadraturmodulieren des Trägers; und Senden des quadraturmodulierten Trägers als ein Funksignal.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Senden von quadratur-modulierten Signalen geschaffen, welche umfaßt: Mittel zum Quadraturmodulieren erster und zweiter Signale auf einen ersten Hilfsträger; Mittel zum Quadraturmodulieren dritter und vierter Signale auf einen zweiten Hilfsträger; wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch: Mittel zum Summieren eines Sync-Signals mit einem der Hilfsträger; Mittel zum Quadraturmodulieren des ersten und des zweiten Hilfsträgers auf einen Träger; und Mittel zum Senden des quadraturmodulierten Trägers als ein Funksignal.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung erlauben vorteilhafterweise das Einschließen sowohl von Pilotträger- als auch BitSync-Signalen bei und benachbart zu der Mitte des Signalspektrums.
Eine beispielhafte Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Quadratur-Amplitudenmodulations-Systems nach der vorliegenden Erfindung, das besonders für das Senden von Analogsignalen geeignet ist.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines anderen Quadratur- Amplitudenmodulations-Systems nach der vorliegenden Erfindung, das besonders für das Senden von Digitalsignalen geeignet ist.
Fig. 3 ist ein schematisches Blockschaltbild eines anderen Quadratur-Amplitudenmodulations-Systems nach der vorliegenden Erfindung, das vorbestimmte Impulswellenformen benutzt.
Fig. 4 ist ein schematisches Blockschaltbild des Ausgangs- Endes des Senders zur Verwendung mit dem System nach Fig. 3.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des Frequenzspektrums eines Quadratur-modulierten Signals mit einem Pilotträger und BitSync-Signalen entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6A ist eine auf ein Bit/s normalisierte Zeitlinie.
Fig. 6B ist eine graphische Darstellung des versetzten Oszillator-Ausgangssignals cos [w&sub0;t].
Fig. 6C ist eine graphische Darstellung des Frequenz- Vervierfacher-Ausgangssignals oder Hilfsträgers cos [4w&sub0;t].
Fig. 6D ist eine graphische Darstellung des Phasenverschieber-Ausgangssignals oder Quadratur-Hilfsträgers cos [4w&sub0;t + π/2].
Fig. 6E ist eine graphische Darstellung des auf den Quadratur-Hilfsträger der Fig. 6D aufmodulierten Impulszuges P(t) des S&sub2;-Kanals.
Fig. 6F ist eine graphische Darstellung des auf den Hilfsträger nach Fig. 6C modulierten Impulszuges P(t-1) des S&sub1;- Kanals.
Fig. 6G ist eine graphische Darstellung des auf den Quadratur-Hilfsträger nach Fig. 6D modulierten S&sub4;-Kanal-Impulszuges P(t-2).
Fig. 6H ist eine graphische Darstellung des auf den Hilfsträger der Fig. 6C aufmodulierten S&sub3;-Kanal-Impulszuges P(T-3).

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

In den Zeichnungen ist zuerst in Fig. 1 ist ein Quadratur- Modulationssystem gezeigt, das zum Schaffen eines Pilotträger- Signals im Zentrum des Signalspektrums geeignet ist. Vier Eingangssignale S&sub1;-S&sub4;, die unabhängige Analog- und/oder Digital-Signale sein können, werden kombiniert. Dieses bestimmte System ist am besten für Analogsignale geeignet, da für das Einsetzen von BitSync-Information keine Vorkehrungen getroffen sind.
Ein Versatzoszillator 11 wird benutzt, um ein Hilfsträger- Signal cos[w&sub0;t) zu schaffen. Sein Ausgangssignal wird auch einem 90º-Phasenschieber 12 zugeführt, der ein Quadratur- Hilfsträgersignal cos[w&sub0;t + π/2] schafft. Die vier Eingangssignale S&sub1;-S&sub4; werden jeweils an Mischer- oder Multiplikator- Schaltungen 13 bis 16 angelegt. Das Hilfsträger-Signal vom Oszillator 11 wird an die Mischer 13 und 15 angelegt, während das Quadratur-Hilfsträgersignal vom Phasenschieber 12 an die Mischer 14 und 16 angelegt wird. Die Ausgangssignale der Mischer 13 und 14 werden in einem Summierer 17 kombiniert, während die Ausgangssignale der Mischer 15 und 16 in einem Summierer 18 kombiniert werden. Das Ausgangssignal des Summierers 17 ist das Itx- oder gleichphasige Signal zur Modulation auf den HF-Träger, und das Ausgangssignal des Summierers ist das Qtx- oder Quadratursignal zur Quadratur-Modulation auf den HF-Träger. Die Mischer 13 und 14 und der Summierer 17 bilden ein Mittel zur Quadratur-Modulation erster und zweiter Signale auf einen ersten Hilfsträger, während die Mischer 15 und 16 und der Summierer 18 ein Mittel zur Quadratur-Modulation dritter und vierter Signale auf einen Hilfsträger bilden.
Wenn es erwünscht ist, ein Pilotträger-Signal zur Sendung mit den quadratur-modulierten Signalen zu schaffen, wird eine Versatz-Gleichspannung mit einer Größe C an einen der Summierer 17 oder 18 angelegt. Bei dieser Ausführung ist die Gleichspannung an den Summierer 17 angelegt. Die Ausgangssignale der Summierer 17 und 18 werden Mischern oder Multiplikatoren 20 bzw. 21 zugeführt. Ein Trägerfrequenz-Oszillator 22 schafft ein gleichphasiges Trägersignal cos[wct], das an den Mischer 20 und den Eingang eines 90º-Phasenschiebers 23 angelegt wird. Das Ausgangssignal des Phasenschiebers 23, das das Quadratur- Trägersignal cos[wct + π/2] darstellt, wird an den Mischer 21 angelegt. Die Ausgangssignale der Mischer 20 und 21 werden einer Summierschaltung 24 zugeführt, um das kombinierte Sendesignal X(t) zu erzeugen. Das X(t)-Signal kann dann, beispielsweise durch ein Bandpaßfilter und einen Verstärker, an eine Antenne angelegt werden, welche ein Sendemittel für den Quadratur-modulierten Träger zur Funkaussendung bildet, wie nachfolgend mit Bezug auf Fig. 4 besprochen. Die Mischer 20 und 21 und der Summierer 24 bilden Mittel zur Quadratur-Modulierung der Hilfsträger auf einen Träger.
Wenn Digital-Signale zu senden sind, ist es erwünscht, ein Bit- Sync-Signal zu schaffen. Das BitSync-Signal kann als Seitenbandsignal für das Trägersignal geschaffen und in dem Frequenzspektrum zwischen den Quadratursignalen angeordnet werden. Ein zur digitalen Übertragung geeignetes System ist in Fig. 2 dargestellt. Die mit Teilen der Fig. 1 identischen Teile der Fig. 2 sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der prinzipielle Unterschied betrifft die Versatz-Oszillatoranordnung. In diesem Fall schafft der Versatz-Oszillator 11 eine Ausgangsfrequenz w&sub0;, die ein Viertel der Frequenz des Oszillators nach Fig. 1 ist. Die Frequenz w&sub0; wird als ganzzahlige Teilgröße der Bitrate gewählt und beträgt bei der bevorzugten Ausführung ein Viertel der Bitrate der jeweiligen Hilfskanäle (1/16 der Gesamtbitrate). Das Ausgangssignal des Versatz-Oszillators 11 nach Fig. 2 wird an einen Frequenzvervierfacher 30 angelegt zum Anlegen an den Phasenschieber 12 und die Mischer 13-16 in einer zur Fig. 4 identischen Weise. Jedoch ist das Signal mit der niedrigeren Frequenz des Versatz-Oszillators 11 auch an einen Verstärker 31 mit einem Verstärkungsfaktor gleich M angelegt. Dessen Ausgangssignal wird in diesem Fall an den Summierer 18 angelegt, der ein Mittel zum Summieren eines Sync-Signals mit einem der Hilfsträger bildet. Es ist zu verstehen, daß ggf. das Ausgangssignal des Verstärkers 31 an den Summierer 17 und das Trägersignal C an den Summierer 18 angelegt werden können, oder beide Signale an den gleichen Summierer. Die Itx- und die Qtx- Signale sind dann auf die Trägerfrequenz quadraturmoduliert wie in Fig. 1. Das Ausgangssignal X(t) enthält nicht nur die quadraturmodulierten Signalkomponenten, sondern, wie in Fig. 5 dargestellt, auch Träger- und BitSync-Seitenbänder. Die Signale S&sub1;-S&sub4; sind vorzugsweise vorbestimmte Impulse P(t), die von einem Speicher-ROM ausgelesen werden, wie es in der anhängigen US-Patentanmeldung SN 007 837 geoffenbart ist, die am 28. Januar 1987 eingereicht wurde und im Besitz des Inhabers der vorliegenden Erfindung ist, wobei hier auf die Offenbarung dieser Anmeldung zu Vergleichszwecken verwiesen wird.
Bei der Benutzung von gespeicherten Impulsen kann der Misch- oder Multiplikationsschritt in den Mischern 13-16 eliminiert werden durch Auslesen von für das Produkt der Multiplikation oder Mischung repräsentativen Impulsen aus dem Speicher, vorausgesetzt, die Bitrate und die Hilfsträger-Frequenz sind durch ein ganzzahliges Verhältnis aufeinander bezogen.
Fig. 3 stellt ein auf einem Mikroprozessor beruhendes System zur Schaffung der Itx- und Qtx-Signale dar. In diesem Fall enthält ein ein Bearbeitungsmittel bildender Digitalsignal- Prozessor 31 einen Dateneingang 32 zum Empfang von zu sendenden digitalen Daten. Die digitalen Daten können vier unabhängige digitale Datenströme sein, oder vorzugsweise kann ein einziger Datenstrom in Signale S&sub1;-S&sub4; unterteilt werden. Der Prozessor 31 enthält RAM 33 und ROM 34. Der ROM 34 enthält die vorprogrammierten Wellenzüge, die zur Schaffung der Itx- und der Qtx-Signale zu summieren sind. Das Itx-Signal wird erzeugt durch Addieren eines gespeicherten S&sub1;-Impulses entsprechend P(t-1). cos[4w&sub0;t) nach Fig. 6F zu einem P(t).cos[4w&sub0;t + π/2] entsprechendem S&sub2;-Signal nach Fig. 6E zusammen mit der Trägeramplituden-Konstante C. In gleicher Weise werden für das Qtx-Signal das S&sub3;-Signal P(t-3).cos[4w&sub0;t] und der gespeicherte S&sub4;-Impuls P(t).cos[4w&sub0;t + π/2] der Fig. 6G zusammen mit dem Bitsignal M cos[4w&sub0;t] addiert. Das Verfahren wird in gleicher Weise für jede Reihe von vier aufeinanderfolgenden Bits fortgesetzt. Es ist einzusehen, daß es bei einem Binärsystem nur nötig ist, einen Prototyp-Impuls zu speichern. Er wird dann zum Darstellen des anderen Binarsignals negiert. Wie ebenfalls in Fig. 6E-6H dargestellt, wird der gleiche Wellenzug bei jedem Kanal S1-S4 benutzt, nur unterschieden nach Phasen oder Zeit. Während die bevorzugte Ausführung binäre oder Zweipegel-Signale benutzt, können an jedem Kanal auch Mehrpegel-Signale (z.B. 8Pegel-) benutzt werden, um den Informationsdurchsatz zu erhöhen. Es ist dann notwendig, vier Impulse für ein 8Pegel-Signal zu speichern, da ihre jeweiligen Negativwerte die anderen vier Pegel darstellen, die leicht durch den Prozessor 31 berechnet werden können.
Das Ausgangssignal des Prozessors 31 wird an einen 12Bit-D/A- Wandler 35 angelegt. Eine Oszillatorschaltung 40 mit einem Kristall 41 ergibt eine Ausgangsfrequenz gleich 2N x Bitrate, die an den Takteingang des Prozessors 31 und die Takteingänge von Zählern 42 bzw. 43 angelegt wird. Der Zähler 42, der einen :N-Zähler bildet, ergibt Ausgangssignale mit jeweils 0º und -180º, die an den Prozessor 31 als Proben-Sync-Interrupts bzw. an Abtast/Halte-Kreise 44 und 45 angelegt werden. Diese sind bei dem doppelten der Bitrate, um die Verwendung des einzelnen D/A-Wandlers 35 sowohl für die Itx- wie für die Qtx-Signale zuzulassen. Die Eingangssignale der Abtast/Halte-Schaltungen 44 und 45 sind mit dem Ausgang des D/A-Wandlers 35 verbunden. Tiefpaßfilter 46 und 47 sind jeweils mit den Ausgängen der Abtast/Halte-Kreise 44 bzw. 45 verbunden, und ihre Ausgangssignale schaffen die Sendesignale Qtx bzw. Itx. Diese werden dann auf die Trägerfrequenz wc wie in Fig. 1 und 2 quadraturmoduliert. Bei dieser Ausführung kann ein Digitalsignal-Prozessor Texas Instruments TMS 32020 benutzt werden. Der Objektkode, wie einschließlich der Prototyp-Impulsinformation im ROM 34 gespeichert, ist in der angefügten Tabelle 1 angegeben.
In Fig. 4 ist das funkseitige Ende für Quadratur-Modulation der Itx- und Qtx-Signale nach Fig. 3 auf einen Träger dargestellt. Die Itx- und Qtx-Signale werden an Mischer 51 bzw. 52 angelegt, die den Mischern 20 bzw. 21 der Fig. 1 und 2 entsprechen. Die Träger- und 90º-Quadratur-Trägersignale werden den Mischern 51 bzw. 52 zugeführt, z.B. durch den Trägerfrequenz-Oszillator 53, der dem Trägerfrequenz-Oszillator 22 und dem Phasenschieber 23 entspricht. Die Ausgangssignale der Mischer 51 und 52 werden einem Summierer 54 angelegt, dessen Ausgangssignal ein Sendesignal X(t) schafft.
Das Ausgangsende des Senders ist identisch mit dem, das in den Schaltungen nach Fig. 1 und Fig. 2 verwendet wird. Das Ausgangssignal des Summierers 54 in diesem Fall oder des Summierers 24 in Fig. 1 und 2 wird einem Bandpaßfilter 55 angelegt, dessen Ausgangssignal an einen linearen HF-Verstärker 56 angelegt wird, dessen Ausgangssignal über die Antenne 57 gesendet wird. Das Sendesignal enthält die auf Hilfsträger modulierten Eingangssignale, das Mitten-Trägersignal und die beiden Trägerseitenband-BitSync-Signale, wie in Fig. 5 dargestellt. Die Träger- und die BitSync-Signale sind beim Demodulieren des empfangenen Sendesignals nützlich, um Selektivschwund auszugleichen, der über einen Funkweg auftreten kann.
Im Betrieb wird ein erstes Signalpaar auf einen ersten Hilfsträger quadraturmoduliert, während ein zweites Signalpaar auf einen zweiten Hilfsträger quadraturmoduliert wird. Die beiden quadraturmodulierten Hilfsträger werden dann auf den Träger quadraturmoduliert, wodurch sich ergibt, daß die informationstragenden Signalkomponenten Abstand von der Trägerfrequenz haben. Ein Pilotträger-Signal und BitSync-Signale können zwischen die Seitenbänder eingesetzt werden, welche die zweifach quadraturmodulierten Informationssignale tragen. Das ergibt ein spektral wirksames Signal, das auch über einen instabilen Kanal erfolgreich sendbar ist. Demzufolge kann es bei Anwendungen benutzt werden wie mobilem Landfunk, wo übliche Quadratur-Amplitudenmodulation nicht zuverlässig eingesetzt werden kann. TABELLE 1

Claims

1. Sendeverfahren für ein quadratur-amplitudenmoduliertes Signal mit den Schritten:

Quadraturmodulieren erster und zweiter Signale auf einen ersten Hilfsträger;

Quadraturmodulieren dritter und vierter Signale auf einen zweiten Hilfsträger, und gekennzeichnet durch die Schritte:

Schaffen einer Gleichstromkomponente mit einem der quadraturmodulierten Hilfsträger zum Erzeugen eines Pilotträgers;

Quadraturmodulieren der ersten und zweiten quadraturmodulierten Hilfsträger auf einen Träger; und

Senden des quadraturmodulierten Trägers als ein Funksignal.

2. Sendeverfahren für ein Quadratur-amplitudenmoduliertes Signal nach Anspruch 1, mit dem weiteren Schritt des Schaffens eines BitSync-Signals mit einem der quadraturmodulierten Hilfsträger.

3. Sendeverfahren nach Anspruch 2, bei dem die Signale Digitalsignale mit einer vorbestimmten Bitrate sind und das BitSync-Signal eine Frequenz besitzt, die ein integrales Vielfaches der Bitrate ist.

4. Sendeverfahren für ein quadratur-amplitudenmoduliertes Signal, gekennzeichnet durch:

Lesen erster und zweiter Prototyp-Impulse, die jeweils eine Hilfsträger-Komponente enthalten, aus einem Speicher;

Summieren des ersten und des zweiten Prototyp-Impulses zur Erzeugung eines ersten quadraturmodulierten Hilfsträgers;

Lesen dritter und vierter Prototyp-Impulse aus dem Speicher, die jeweils eine Hilfsträger-Komponente enthalten;

Summieren des dritten und des vierten Prototyp-Impulses zum Erzeugen eines zweiten quadraturmodulierten Hilfsträgers;

Quadraturmodulieren eines Trägers mit dem ersten und dem zweiten quadraturmodulierten Hilfsträger;

Summieren eines Versatzes mit einem der summierten Impulse vor dem Quadraturmodulieren des Trägers; und

Senden des quadraturmodulierten Trägers als ein Funksignal.

5. Verfahren zum Senden eines quadratur-amplitudenmodulierten Signals nach Anspruch 4, das den weiteren Schritt des Summierens eines Sync-Signals mit einem der summierten Impulse vor dem Quadraturmodulieren des Trägers enthält.

6. Vorrichtung zum Senden von quadraturmodulierten Signalen, welche umfaßt:

Mittel (13, 14, 17) zum Quadraturmodulieren erster und zweiter Signale auf einen ersten Hilfsträger;

Mittel (15, 16, 18) zum Quadraturmodulieren dritter und vierter Signale auf einem zweiten Hilfsträger;

wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch:

Mittel (31, 18) zum Summieren eines Sync-Signals mit einem der Hilfsträger;

Mittel (20, 21, 22, 24) zum Quadraturmodulieren des ersten und des zweiten Hilfsträgers auf einen Träger; und

Mittel (56, 57) zum Senden des quadraturmodulierten Trägers als ein Funksignal.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der ein Prozessormittel (31) zum Quadraturmodulieren des ersten und des zweiten Signals sowie des dritten und des vierten Signals benutzt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der das Prozessormittel ein Speichermittel (34) mit einem darin befindlichen Prototyp-Impuls mit einer Hilfsträger-Komponente enthält, und der erste und der zweite Hilfsträger durch Summieren von Prototyp-Impulsen in dem Prozessormittel (31) erzeugt werden.