HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein Demodulatoren für
digitale Funkkommunikationssysteme und insbesondere einen
phasengesteuerten Demodulator der Art, bei der ein
Frequenzdurchlaufbetrieb erfolgt, wenn eine große Frequenzdifferenz
zwischen dem empfangenen Träger und dem wiederhergestellten
Träger vorliegt.
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In einem Satellitenkommunikationssystem leidet der
Demodulator auf der Empfangsseite unter
Trägerfrequenzschwankungen infolge der Instabilitäten des lokalen Oszillators im
Satellitentransponder. Gegenwärtig wird ein
Frequenzdurchlaufverfahren zur suche nach einem fehlenden Träger verwendet,
wenn die Frequenzabweichung den Phasensteuerbereich des
Demodulators übersteigt. Wird der Demodulator in den
Phasensteuerbereich gezogen, muß der Durchlaufbetrieb beendet werden,
damit der normale automatische Steuerbetrieb wieder
aufgenommen werden kann. Der herkömmliche
Phasensynchronisationsdetektor benötigt jedoch eine lange Zeit, um zu detektieren,
wann der Demodulator phasensynchronisiert ist, und erfordert
einen komplizierten externen Schaltungsaufbau.
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Ein Beispiel für einen phasengesteuerten Demodulator ist
in der EP-A-0072241 in bezug auf eine
Trägerwiederherstellungsschaltung für einen PSK-Demodulator
(Phasenumtastungsdemodulator) mit einem Quadraturdetektor beschrieben, der durch
ein Paar Mischer und eine Basisband-Verarbeitungsschaltung
gebildet ist. Eine Phasensynchronisationsschleife mit einem
Verstärker, einem Schleifenfilter und einem Oszillator ist
mit einem Ausgang der Verarbeitungsschaltung verbunden, um
phasengesteuerte Orthogonalträger zu den Mischern zu führen.
Vorgesehen ist eine automatische Frequenz Steuerschaltung mit
einem Paar Differenzierern und Mischern, eine
Differenzschaltung,
einem Tiefpaßfilter und einem Verstärker, um die
Oszillatorfrequenz zu steuern. Ist der Demodulator mit einem
empfangenen Träger phasensynchronisiert, empfängt der Oszillator
eine Ausgabe vom Schleifenfilter; ist er außer Phase,
empfängt der Oszillator eine Steuerspannung vom Verstärker der
Frequenzsteuerschaltung.
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Ein weiteres Beispiel für einen phasengesteuerten
Demodulator beschreibt die US-A-4000476 in bezug auf ein
Verfahren zur Vermeidung der Seitensynchronisation in der
kohärenten PSK-Demodulation. In einer Ausführungsform läßt ein mit
dem Ausgang eines Phasendetektors verbundenes Bandpaßfilter
Frequenzkomponenten an Seitenbändern der Mittenfrequenz
durch. Ein Detektor erzeugt ein Signal als Anzeige der Stärke
einer Seitenbandkomponente, das durch einen Komparator mit
einem Schwellwert verglichen wird. Durch einen
Seitensynchronisationsdetektor kann ein Durchlaufspannungsgenerator als
Reaktion auf die Komparatorausgabe die Oszillatorfrequenz in
eine bevorzugte Richtung durchlaufen lassen. Der
Durchlaufspannungsgenerator wird durch einen Synchronisationsdetektor
gesperrt, wenn der Demodulator synchronisiert ist. Ist der
Demodulator jedoch mit einer Seitenbandfrequenz
synchronisiert, wird das Verfahren wiederholt, bis die Ausgabe des
Bandpaßfilters wegfällt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen
phasengesteuerten Demodulator zu schaffen, der mit vereinfachtem
Schaltungsaufbau schnell einen phasensynchronisierten Zustand
detektieren kann.
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In einem erfindungsgemäßen phasengesteuerten Demodulator
wird ein moduliertes digitales Eingabesignal zu
Quadratursignalen mit einem Träger demoduliert, der durch einen
spannungsgesteuerten Oszillator wiederhergestellt wird. Die
Phasendifferenz zwischen den Quadratursignalen wird detektiert
und über ein Schleifenfilter zum spannungsgesteuerten
Oszillator geführt, um die Frequenz und Phase des
wiederhergestellten Trägers zu steuern, wenn die Frequenzabweichung
zwischen dem empfangenen und wiederhergestellten Träger
innerhalb
eines Phasensteuerbereichs liegt. Geht die
Frequenzabweichung über den Phasensteuerbereich hinaus, wird eine
Frequenzdurchlauf-Steuerspannung zum spannungsgesteuerten
Oszillator geführt, um nach dem fehlenden Träger zu suchen. Die
Erfindung beruht auf der Tatsache, daß bei fehlender
Synchronisation des Demodulators die Ausgabe des
Phasendifferenzdetektors eine Schwebung der beiden Träger mit einer Amplitude
ist, die monoton zwischen positiven und negativen Werten
variiert.
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Vorgesehen ist ein Phasensynchronisationsdetektor zum
Detektieren der Größe der Schwebung und ihrem Vergleichen mit
einem vorbestimmten Schwellwert entsprechend dem Betrag der
Frequenzabweichung, die im Phasensteuerbereich auftreten
kann. Geht die Frequenzabweichung zwischen den beiden Trägern
weit über den Phasensteuerbereich hinaus, ist die Größe der
Schwebung geringer als der Schwellwert; sie übersteigt den
Schwellwert jedoch, sobald der Demodulator in den
Phasensteuerbereich eintritt. Wenn dies geschieht, erzeugt der
Phasensynchronisationsdetektor eine Ausgabe zum Beenden der
Zuführung der Frequenzdurchlauf-Steuerspannung zum
spannungsgesteuerten Oszillator.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist
der Phasensynchronisationsdetektor auf: ein mit dem Ausgang
des Phasendifferenzdetektors verbundenes Tiefpaßfilter und
einen Polaritätsumkehrer zum Umkehren einer ersten Polarität
des Schwebungsfrequenzsignals und Kombinieren der umgekehrten
Polarität mit einer zweiten, entgegengesetzten Polarität der
Schwebung, um ein Schwebungsfrequenzsignal mit einheitlicher
Polarität zu erzeugen. Ein Mittelwert des Schwebungssignals
mit einheitlicher Polarität wird festgestellt und mit dem
Schwellwert verglichen.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung weist
der Phasensynchronisationsdetektor einen mit dem Ausgang des
Phasendifferenzdetektors verbundenen Integrator auf, um ein
integriertes Schwebungssignal zum Vergleich mit dem
Schwellwert bereitzustellen. Das integrierte Signal steigt über den
Schwellwert, wenn der Demodulator in den Phasensteuerbereich
gezogen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend wird die Erfindung näher anhand der
beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild einer phasengesteuerten
Demodulatorschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung;
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Fig. 2a und 2b grafische Darstellungen der
Phasendetektionskennlinie und der Wellenform einer Schwebung am Ausgang
des Phasendetektors von Fig. 1;
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Fig. 3 eine Darstellung der am Ausgang des
Tiefpaßfilters von Fig. 1 erzeugten Wellenform;
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Fig. 4 eine Darstellung der am Ausgang der
Mittelwertschaltung von Fig. 1 erzeugten Wellenform; und
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Fig. 5 ein Blockschaltbild einer alternativen
Ausführungsform der Erfindung.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG
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Fig. 1 zeigt eine phasengesteuerte Demodulatorschaltung
eines digitalen Kommunikationssystems gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung. Die Demodulatorschaltung weist
einen Demodulator 101 und einen
Phasensynchronisationsdetektor mit einem Tiefpaßfilter 107, einer Absolutwertschaltung
108, einer Mittelungsschaltung 109 und einem Komparator 110
auf. Der Demodulator 101 ist herkömmlich gestaltet und weist
einen Quadraturdetektor 102, einen
Costaschleifen-Phasendetektor 103, ein Schleifenfilter 105, einen Addierer 106,
einen spannungsgesteuerten Oszillator 104 und eine
Steuerschaltung 111 auf.
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Der Quadraturdetektor 102 weist auf: Eingänge zum
Empfangen eines modulierten digitalen Eingabesignals, z. B. ein
2-PSK- oder 4-PSK-Signal, das beispielsweise über eine
Satellitenabwärtsstrecke zugeführt wird, und eines
wiederhergestellten Trägers vom spannungsgesteuerten aszillator 104, um
eine Quadraturdemodulation zum Erzeugen von (gleichphasigen)
I- und (Quadratur-) Q-Ausgabesignalen durchzuführen, die an
Ausgabeanschlüssen 112 und an den Eingängen des
Phasendetektors
103 bereitgestellt werden. Die Phasendifferenz zwischen
den I- und Q-Signalen wird durch den Phasendetektor
detektiert und über das Schleifenfilter 105 zu einem Eingang des
Addierers 106 geführt, mit dem auch der Ausgang der
Steuerschaltung 111 verbunden ist. Ist der Demodulator 101 mit dem
Sendeträger im Synchronismus, wird der Ausgang des
Schleifenfilters 105 mit dem spannungsgesteuerten Oszillator 104
gekoppelt, um eine phasensynchronisierte Schleife zu bilden.
Verläßt er jedoch den Synchronismus, wird das Schleifenfilter
105 durch ein Signal gesperrt, das über eine Leitung 113 von
der Steuerschaltung 111 zugeführt wird; letztere führt eine
Freguenzdurchlauf-Steuerspannung über den Addierer 106 zum
spannungsgesteuerten Oszillator 104 als Reaktion auf ein
Durchlaufbefehlssignal, das von einem (nicht gezeigten)
Phasenasynchrondetektor zugeführt wird, um den
wiederhergestellten Träger einen breiten Bereich von Frequenzen auf der Suche
nach der Frequenz des empfangenen Trägers durchlaufen zu
lassen, die sich infolge von inhärenten Instabilitäten im
Satellitentransponder ändert.
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Der Phasensynchronisationsdetektor erhält seine Eingabe
vom Ausgang des Phasendetektors 103. Verläßt der Demodulator
101 den Synchronismus, wird gemäß der nachfolgenden
Beschreibung die Ausgabe des Costaschleifen-Phasendetektors 103
zu einem Schwebungsfrequenzsignal mit einer Frequenz von 2Δf
für einen 2-PSK-Eingabeträger und 4Δf für einen
4-PSK-Eingabeträger, wobei Δf die Frequenzdifferenz zwischen dem
empfangenen und dem wiederhergestellten Träger ist. Die Ausgabe des
Phasendetektors 103 wird über das Tiefpaßfilter 107 zur
Absolutwertschaltung 108 gefiltert, wo der negative Wert der
Eingabe in einen positiven Wert umgewandelt, mit dem
ursprünglichen positiven Wert kombiniert und zur Mittelungsschaltung
109 geführt wird. Durch die Mittelungsschaltung 109 wird der
Mittelwert der Ausgabe der Absolutwertschaltung 108
festgestellt und zu einem Eingang des Komparators 110 geführt, wo
er mit einer vorbestimmten Schwellwertspannung verglichen
wird, die eine kleine Frequenzabweichung als Anzeige dafür
darstellt, daß sich der Demodulator im
Phasensynchronisationsbereich
befindet. Der Komparator 110 erzeugt eine logische
Ausgabe 1 oder 0 in Abhängigkeit von den Relativwerten der
verglichenen Eingaben und führt diese zur Steuerschaltung
111.
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Anhand von Fig. 2 und 3 wird der Betrieb des
Phasensynchronisationsdetektors am meisten verständlich.
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Ist die Demodulatoreingabe ein 4-PSK-Signal, hat der
Phasendetektor 103 vier Phasensynchronisationspunkte, die auf
Linien bei ± 45º und ± 135º des I-Q-Zeigerdiagramms gemäß
Teil (a) von Fig. 2 liegen, in der die Plus- und Minuszeichen
die Richtungen der vorverschobenen Phase bzw.
rückverschobenen Phase anzeigen. Dreht sich die Phase des Sendeträgers in
einer bestimmten Richtung mit einer Geschwindigkeit von 2πΔf,
erzeugt der Phasendetektor 103 eine Wellenform, deren
Amplitude monoton zwischen positiven und negativen Werten in
periodischen Intervallen von Δt (= ¼ Δf) gemäß Teil (b) von Fig.
2 variiert.
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Der Frequenzbereich des Tiefpaßfilters 107 ist schmaler
als der Phasensynchronisationsbereich des Demodulators 101.
Bei einer großen Frequenzabweichung übersteigt die Frequenz
der Ausgabe des Phasendetektors 103 die Grenzfrequenz des
Tiefpaßfilters 107, wodurch die meisten der
Frequenzkomponenten des Phasendifferenzsignals durch das Tiefpaßfilter 107
abgeschnitten werden und vorwiegend Rauschen am Eingang der
Absolutwertschaltung 108 vorliegt, was durch eine Wellenform
120 in Fig. 3 dargestellt ist. Mit Verringerung der
Frequenzabweichung verringert sich die Phasendetektorausgabe, und am
Ausgang des Tiefpaßfilters 107 erscheint ein
Schwebungsfrequenzsignal, das durch eine Wellenform 121 dargestellt ist.
Deutlich wird, daß das Schwebungsfrequenzsignal eine
wesentlich höhere Amplitude als die Rauschamplitude hat.
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Nach der Verarbeitung durch die Absolutwertschaltung 108
hat das Schwebungsfrequenzsignal eine Wellenform 131 gemäß
Fig. 4, während das Rauschen eine Wellenform 130 hat. Durch
eine Mittelungsoperation wird die Ausgabe der
Absolutwertschaltung 108 in eine Gleichspannung umgewandelt, die durch
den Komparator 110 mit der Schwellwertspannung verglichen
wird. Der Komparator 110 erzeugt eine logische 1, wenn die
Eingabegleichspannung höher als der Schwellwert ist. Daher
ist während einer Asynchronitätsbedingung die Ausgabe des
Komparators 110 logisch 0, was die Steuerschaltung 111
veranlaßt, ein Sperrsignal zum Schleifenfilter 105 zu führen,
damit dieses die Zuführung seiner Ausgabe zum Addierer 106
beendet und der Steuerschaltung 111 ein
Frequenzdurchlauf-Befehlssignal zugeführt wird. Mit fortschreitendem
Frequenzdurchlauf wird die Komparatorausgabe schließlich auf logisch
1 umschaltet, wenn sich der Demodulator der Grenze des
Phasensynchronisationsbereichs nähert.
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Bei Zuführung einer logischen 1 vom Komparator 110
entfernt die Steuerschaltung 111 das Sperrsignal von der Leitung
113 und beendet die Zuführung der Durchlaufspannung zum
Addierer 106. Daher kann der Demodulator schnell in einen
phasensynchronisierten Zustand gezogen werden, sobald die
Frequenzabweichung die Grenze des Phasensynchronisationsbereichs
überschreitet.
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Gemäß Fig. 5 kann der Phasensynchronisationsdetektor
alternativ durch einen Integrator 200 und einen Komparator 201
realisiert werden. Der Integrator 200 liefert eine
Integration der Ausgabe des Phasendetektors 103 über ein
Zeitintervall ΔT, das größer als die Periode des
Schwebungsfrequenzsignals ist, wenn die Trägerfrequenzabweichung groß ist, und
das gleich oder größer als die Periode des
Schwebungsfrequenzsignals ist, wenn diese Abweichung klein ist. Der
Komparator 201 vergleicht die Ausgabe des Integrators 200 mit
einer Schwellwertspannung und erzeugt einen Impuls, wenn der
Schwellwert überschritten wird. Da die Amplitude des
Schwebungsfrequenzsignals zwischen positiven und negativen Werten
variiert und sich die Periode des Signals mit abnehmender
Trägerfrequenzabweichung erhöht, erzeugt die Integration des
Schwebungsfrequenzsignals über das Zeitintervall ΔT eine
geringe Spannung, wenn sich der Demodulator außerhalb des
Phasensynchronisationsbereichs befindet. Mit abnehmender
Trägerfrequenzabweichung erhöht sich die Amplitude der
Integratorausgabe entsprechend. Nähert sich der Demodulator dem
Phasensynchronisationsbereich,
wird die Periode des
Schwebungsfrequenzsignals gleich oder größer als das Zeitintervall ΔT, und
der Integrator 200 erzeugt eine Ausgabe mit einer Amplitude,
die den Schwellwert des Komparators 201 übersteigt.
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Die vorangegangene Beschreibung zeigt lediglich
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Dem Fachmann dürften
verschiedene Abwandlungen deutlich sein, ohne vom
Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der nur durch die beigefügten
Ansprüche begrenzt ist. Daher dienen die gezeigten und
beschriebenen Ausführungsformen nur als Veranschaulichung,
nicht als Einschränkung.