DE3915779A1

DE3915779A1 - Einrichtung zur erkennung phasengetasteter signale

Info

Publication number: DE3915779A1
Application number: DE19893915779
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr Jondral; Helmut Dipl Ing Schoeffel
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1989-05-13
Filing date: 1989-05-13
Publication date: 1990-11-15

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Entdeckung phasengetasteter Signale nach dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.

Zur Übertragung digitaler Nachrichten werden üblicherweise bei einem Sinusträger die Amplitude, die Frequenz, die Nullphase oder Kombinationen dieser Parameter im Takt der Information zwischen diskreten Werten umgetastet. Während die Amplitudentastung und die Frequenztastung eines Si gnals in bekannter Weise hörbar gemacht werden können, ist das menschliche Ohr gegenüber phasengetasteten (Phase shift keying, PSK) Signalen unempfindlich, so daß zur Er kennung dieser Modulationsart in einem Empfangssignal und darüber hinaus zur Ermittlung der Anzahl der Phasen taststufen besondere technische Hilfsmittel erforderlich sind. In der DE 27 52 468 C2 ist ein Verfahren zur Erken nung phasengetasteter Signale beschrieben, dessen Reali sierung aber eine relativ aufwendige Einrichtung erfor dert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Ein richtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche mit geringem Aufwand die Erkennung phasengetasteter Signale ermöglicht.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un teransprüche enthalten vorteilhafte Ausführungen und Wei terbildungen der Erfindung.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine gebräuchliche Empfangsanordnung

Fig. 2A den Verlauf der Momentanphase für einen Ausschnitt einer übertragenen Symbolfolge mit Abtastzeitpunk ten

Fig. 2B die sich nach Fig. 2A ergebende Häufigkeitsvertei lung

Fig. 3A wie Fig. 2A, aber mit verringerter Abtastrate

Fig. 3B die sich nach Fig. 3A ergebende Häufigkeitsvertei lung

Fig. 4A wie Fig. 2A und 3A, aber mit weiter verringerter Abtastrate

Fig. 4B die sich nach Fig. 4A ergebende Häufigkeitsvertei lung

Fig. 5A wie Fig. 3A, aber mit größerem Zeitabstand zwi schen zwei Abtastwerten zur Phasendifferenzbildung

Fig. 5B die sich nach Fig. 5A ergebende Häufigkeitsvertei lung

Fig. 6 eine erste Ausführungsform

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform

Fig. 8 eine gemessene Häufigkeitsverteilung für ein PSK2- Signal

Fig. 9 eine gemessene Häufigkeitsverteilung für ein PSK4- Signal

Bei der in Fig. 1 skizzierten, an sich bekannten Empfangs anordnung wird ein über die Antenne A aufgenommenes hoch frequentes (HF) Empfangssignal im analogen Hochteil HT auf eine Zwischenfrequenz (ZF) umgesetzt. Das Zwischenfre quenzsignal wird bandpaßabgetastet (Bandpaß BP, Verstärker V und A/D-Umsetzer) und komplex ins Basisband abgemischt (cos/-sin).

In digitalen Filtern FIR, IIR mit zwischengeschalteter Re duktion (N:1) der Datenrate und vorzugsweise mit einstell barer Selektionsbandbreite B wird das komplexe Basisband signal als Realteil Re und Imaginärteil Im weiterverarbei tet und einem Koordinatenwandler KW zugeführt, der ein Ba sisbandsignal in Betrag-Phase-Darstellung erzeugt. Von Be deutung für die nachfolgenden Ausführungen ist das als Folge digitaler Momentanphasenwerte ausgegebene Phasensi gnal in dieser Darstellung.

Die Fig. 2A, 3A, 4A und 5A zeigen für eine logische Sym bolfolge (1, 0, 1, 1, 0, 0, 1), die als Ausschnitt aus ei ner übertragenen Nachricht angesehen werden kann, den Ver lauf der Momentanphase 0 über der Zeit t bei PSK2-Kodie rung.

Innerhalbs eines Symbols läuft die Phase linear mit der Zeit. An den Symbolgrenzen tritt bei einem Wechsel der Symbolwertigkeit (0 nach 1 oder 1 nach 0) ein Phasensprung von 180° auf, bei gleicher Wertigkeit aufeinanderfolgender Symbole wird der lineare Phasenverlauf an der Symbolgrenze nicht unterbrochen. Auf der Zeitachse sind die Abtastzeit punkte, zu denen für die Erkennung von phasengetasteten Signalen ein Abtastwert aus dem Momentanphasensignal ent nommen wird, markiert. Die Taktperiode der Abtastung ist mit T _A bezeichnet. Da der Koordinatenwandler KW in Fig. 1 das Phasensignal bereits als Folge von Digitalsignalen mit festem Folgetakt ausgibt, ist die Taktperiode T _A vorzugs weise gleich der Periode dieses Folgetakts oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon.

Die Lage der Abtastzeitpunkte und die Abtastperiode sind i.a. willkürlich bezüglich der Nullphase, der Symboldauer und der Lage der Symbolgrenzen. Die in den Abbildungen ge wählten quantitativen Beziehungen beschränken nicht die allgemeine Gültigkeit der Ausführungen. Das letzte in den Abbildungen eingetragene Symbol ist nur unvollständig ab getastet, was die Weiterführung der Nachricht andeuten soll.

Bei der in Fig. 2A skizzierten Abtastung des dargestellten Nachrichtenausschnitts ergeben sich beispielsweise 109 zeitlich mit T _A äquidistante Abtastwerte. Wird aus jeweils aufeinanderfolgenden Abtastwerten ein Phasendifferenzwert Δ R gebildet, so fallen innerhalb des dargestellten Zeit raums 108 Differenzwerte an. Bei durchgehend linearem Pha senverlauf, also innerhalb eines Symbols und beim Übergang zwischen zwei gleichwertigen Symbolen, ergibt sich als Phasendifferenzwert ein konstanter Wert Δ R o, während an jeder Umschaltstelle, also einem Übergang zwischen zwei Symbolen unterschiedlicher Wertigkeit ein Phasendifferenz wert Δ R ₁ = Δ R _o + 180° auftritt (Phasenwerte bzw. Diffe renzwerte jeweils modulo 360°). Da innerhalb des darge stellten Zeitraums nur 4 Umschaltstellen auftreten, ergibt sich bei der Differenzbildung nur 4 mal der Wert Δ R ₁, der im skizzierten Beispiel bei 240° liegt, während bei den übrigen 104 Differenzbildungen jeweils eine Phasendiffe renz von Δ R _o = 60° festgestellt wird.

Die Verteilung der so gebildeten Phasendifferenzwerte kann als eine Häufigkeitsverteilung (Histogramm) in an sich be kannter Weise dargestellt werden. Für die in Fig. 2A skiz zierte Situation ergibt sich ein Histogramm wie in Fig. 2B abgebildet. Durch das häufige Auftreten des Differenzwerts Δ R _o entsteht ein ausgeprägtes Maximum bei Δ R = Δ R _o = 60°, während bei Δ R = Δ R ₁ = 240° nur ein kleiner Buckel im Hi stogramm erkennbar ist. Da im Realfall die Phasenmeßwerte und die Differenzwerte noch mehr oder weniger um die in Fig. 2B eingetragenen beiden lokalen Maxima streuen, kann aus dieser Häufigkeitsverteilung keine verläßliche Aussage über das Vorliegen eines PSK2-Empfangssignals abgeleitet weden, obgleich in Fig. 2A ein solches zugrunde gelegt ist.

Wird nun aber wie in Fig. 3A die Abtastperiodendauer T _A verlängert, z.B. verdoppelt, so ergeben sich in dem darge stellten Zeitraum von knapp 7 Symbolschritten nur noch 54 Abtastwerte und bei der Differenzbildung jeweils zweier aufeinanderfolgender Abtastwerte entstehen 53 Differenz werte Δ R, von denen entsprechend der Anzahl der Umschalt stellen wieder 4 Werte für Δ R ₁ und die übrigen 49 Werte für Δ R _o anfallen. Die Werte für Δ R _o und Δ R ₁ liegen nicht bei denselben Abszissenwerten wie in Fig. 2B, was auf die breit erwähnte willkürliche relative zeitliche Lage von Abtastzeitpunkten einerseits und Nullphase, Symboldauer und Lage der Symbolgrenzen des abgetasteten Basisbandsi gnals andererseits zurückzuführen ist. Was aber für beide Fälle auftritt und als ein Kriterium für das Vorliegen ei nes PSK2-Signals gewertet werden kann ist der Unterschied von 180° in der Lage der beiden lokalen (relativen) Ma xima.

Betrachtet man anstelle der absoluten Zahl der Ereignisse die relative Häufigkeit, so ergibt sich durch Verdoppeln des Zeitabstands entsprechend dem Schritt von Fig. 2A, 2B nach Fig. 3A, 3B, daß die relative Häufigkeit für die Pha sendifferenzwerte Δ R ₁ sich mehr als verdoppelt, während die relative Häufigkeit für Δ R _o etwas zurückgeht.

Wird die Abtastperiodendauer weiter verlängert bis sie un gefähr gleich, oder wie im Sonderfall nach Fig. 4A gleich der Symboldauer des PSK-Signals ist, so nähern sich die Häufigkeiten der um 180° auseinanderliegenden beiden Dif ferenzwerte Δ R _o und Δ R ₁ den Häufigkeiten der Phasenwechsel an den Symbolgrenzen, d.h. für jede Umschaltstelle ergibt sich ein Wert Δ R ₁ und für jede Symbolgrenze ohne Umschal ten ein Wert Δ R _o. Die sich für die Situation nach Fig. 4A ergebenden Häufigkeiten sind in Fig. 4B eingetragen. Wird ein längerer Signalabschnitt betrachtet, um eine für ein Histogramm mit verläßlicher Aussagekraft ausreichende An zahl von Einzelergebnissen zugrunde legen zu können, so wird sich im Regelfall eine annähernde Gleichverteilung der absoluten Häufigkeiten bei Δ R _o und Δ R ₁ einstellen, was als ausreichendes Kriterium für die Entscheidung auf das Vorliegen eines PSK2-Signals gewertet wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht für die Verlängerung des Zeitabstands zwischen zwei zur Phasendifferenzwertbil dung herangezogenen Abtastwerten anstelle einer größeren Abtastperiode T _A vor, daß nicht zwei unmittelbar aufeinan derfolgende, sondern bei jedem Abtasttaktschritt zwei um mehrere Abtasttakte auseinanderliegende Abtastwerte ver knüpft werden. Dies ist in Fig. 5A veranschaulicht, wo ein Abtasttakt wie in Fig. 3A und ein Zeitabstand wie in Fig. 4A zugrunde gelegt ist. Aus den 54 Abtastwerten ergeben sich durch den 8 Abtasttakte umfassenden Zeitabstand zwi schen zwei zur Bildung eines Differenzwerts herangezogenen Abtastwerten für den dargestellten Zeitraum 46 Diffe renzwerte Δ R, welche mit 30:16 (Fig. 5B) annähernd diesel ben relativen Häufigkeiten wie in Fig. 4B, aber innerhalb desselben Zeitraums wesentlich höhere absolute Häufigkei ten. Auf diese Weise kann gegenüber der Verlängerung der Taktperiode also dasselbe Ergebnis in wesentlich kürzerer Zeit erreicht werden. Vorzugsweise werden alle von dem Ko ordinatenwandler ausgegebenen Werte als Abtastwerte verar beitet. Damit ist eine höhere Datenrate verfügbar und die Einrichtung reagiert schneller auf ein neu eintreffendes Empfangssignal.

Eine weitere Verlängerung des Zeitabstandes zwischen zwei zur Phasendifferenzbildung herangezogenen Abtastwerten bringt keine weitere Verbesserung der dem Histogramm ent nehmbaren Aussage. PSK-Signale können daher mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung mit veränderlichen Zeitab stand auf einfache und vorteilhafte Weise erkannt werden, indem ausgehend von einem Zeitabstand, der kürzer ist als die kürzeste zu erwartende Symboldauer das in beschriebe ner Weise aufgebaute Phasendifferenz-Histogramm auf Anzei chen einer für PSK-Signale charakteristischen Verteilung überprüft wird. Kann bei Vergrößern des Zeitabstands eine für PSK-Signale typische Verdeutlichung der Verteilungs merkmale mit relativen Maxima in definierten Abszissenab ständen und annähernder Gleichverteilung der Häufigkeiten bei den verschiedenen Maxima beobachtet werden, so kann daraus geschlossen werden, daß ein PSK-Signal vorliegt. Durch sukzessives Verlängern des Zeitabstands, bis keine weitere Verbesserung des Histogramms hinsichtlich der Deutlichkeit der für PSK-Signale charakteristischen Para meter mehr eintritt, kann zudem eine grobe Abschätzung für die Schrittgeschwindigkeit des PSK-Signals vorgenommen werden, da der optimale Wert für den Zeitabstand in der Größenordnung der zur Schrittgeschwindigkeit reziproken Symboldauer liegt.

Darüber hinaus kann in an sich bekannter Weise aus der Lage der Maxima die genaue Abstimmung des Empfängers kontrolliert werden. Bei ideal abgestimmten Empfänger lie gen die lokalen Häufigkeitsmaxima bei Δ0_k = k.2 π/i mit k = 0, 1, . . ., i-1 für Codes mit i Phasentaststufen, wovon in erster Linie PSK2-, PSK4- und PSK8-Signale ent sprechend i = 2, 4, 8 von praktischer Bedeutung sind.

Die Erkennung phasengetasteter Signale einschließlich der Ermittlung deren Parameter kann sowohl durch eine Bedien person als auch automatisch erfolgen. Für den ersten Fall sind eine visuell auswertbare Anzeige, beispielsweise in Form eines Bildschirms, einer Leuchtdiodenzeile oder der gleichen zur Darstellung des Phasendifferenz-Histogramms sowie Bedieneinrichtungen zur manuellen Veränderung des Zeitabstands zwischen zwei für die Bildung eines Phasen differenzwerts herangezogenen Abtastwerten vorgesehen.

Für die automatische Erkennung und Parameterermittlung wird ein aufgebautes Histogramm durch Maskenvergleich mit Referenzhistogramm für die in Frage kommenden Pha senumtastcodierungen auf das Auftreten von für PSK-Signale charakteristischen Merkmalen der Häufigkeitsverteilung, insbesondere die in Δ R äquidistante Lage mehrer lokaler Maxima überprüft. Gegebenenfalls kann der Zeitabstand au tomatisch verändert werden und die jeweils neu entstehen den Histogramme werden wieder überprüft, beispielsweise dahingehend, ob sich durch Verlängern des Zeitabstands eine Annäherung der Höhe h _max des größten lokalen Maximums und der Höhe h _min des kleinsten lokalen Maximums ergeben hat. Zutreffendenfalls können der Zeitabstand, bis keine weitere nennenswerte Verbesserung in dieser Hinsicht mehr auftritt, verlängert, der Erkennungsvorgang abgebrochen und die Parameter ausgegeben werden.

Entsprechend den beiden beschriebenen vorteilhaften Vari anten zur Veränderung des Zeitabstands zeigen

Fig. 6 und Fig. 7 zwei verschiedene Ausführungen einer Einrichtung zur Erkennung von PSK-Signalen als Blockschaltbilder.

Bei der in Fig. 6 skizzierten Einrichtung werden aus dem vom Koordinatenwandler KW der Fig. 1 abgegebenen Phasensi gnal mittels eines Abtasters P in äquidistanten Zeitab ständen der Abtastperiode T _A Abtastwerte R _m gewonnen und einem Summierglied S zum einen direkt, zum andern nach Verzögerung (z ^-1) um eine Abtastperiode und Bewertung mit -1 zugeführt. Aus den am Ausgang des Summierglieds abgege benen Phasendifferenzwerten Δ0 wird im Histogrammrechner HR ein Phasendifferenzhistogramm für Δ R = 0...360° aufge baut. Dieses Histogramm wird auf einer Anzeige darge stellt. Alternativ oder zusätzlich zu der Anzeigendarstel lung wird das Histogramm einer Vergleichseinrichtung VE zum Maskenvergleich mit Referenzhistogrammen zugeführt. Nach Maßgabe des Vergleichsergebnisses in VE wird in einem Entscheider ET geprüft, ob die Abtastperiode T _A zu verlän gern ist und zutreffendenfalls wird ein neuer Wert für T _A festgelegt und die Abtastperiode automatisch auf den neuen Wert eingestellt. Anstelle der automatischen Veränderung der Abtastperiode T _A kann auch eine manuelle Veränderung über ein Bedienelement RT vorgesehen sein. Die alternati ven Möglichkeiten zur Veränderung von T _A sind durch den Umschalter U angedeutet.

Bei der Einrichtung nach Fig. 7 ist kein Abtaster vorgese hen. Vielmehr werden die vom Koordinatenwandler KW nach Fig. 1 in dessen Arbeitstakt als zeitlich äquidistante Phasenwerte direkt als Abtastwerte übernommen. Diese Ab tastwerte werden wiederum einem Summierglied S zum einen direkt, zum andern über eine Verzögerungsstufe z ^-n mit schrittweise einstellbarer Verzögerungszeit und nach Be wertung mit -1 zugeführt. Die Verzögerungszeit der Verzö gerungsstufe ist in ganzzahligen Vielfachen n(n = 1, 2,...) der Taktperiode des Phasensignals einstellbar. Für die Phasendifferenzwerte Δ R, den Histogrammrechner HR, die Histogrammanzeige, die Vergleichseinrichtung VE gelten die Ausführungen zu Fig. 6 in gleicher Weise. Der Entscheider En unterscheidet sich vom Entscheider ET der Fig. 6 inso weit, als er ggf. einen Wert n für die Einstellung der Verzögerungsstufe neu festlegt und die automatische Neueinstellung der Verzögerungsstufe veranlaßt. Auch bei dieser Ausführungsform ist wiederum ein Bedienelement Rn zur manuellen Veränderung der Verzögerungszeit der Verzö gerungsstufe vorgesehen.

Die Fig. 8 zeigt ein aus gemessenen Werten aufgebautes Hi stogramm für ein PSK2-Signal, in welchem deutlich zwei ge trennte lokale Häufigkeitsmaxima zu erkennen sind. Gegen über den idealisierten Darstellungen der Fig. 2B bis 5B streuen hier die Einzelmeßwerte um einen lokalen Schwer punkt oder Mittelwert. Die beiden lokalen Schwerpunkte liegen um ca. 180° auseinander und im Bereich der beiden lokalen Maxima können annähernd gleiche kumulierte Häufig keiten festgestellt werden, so daß das Vorliegen eines PSK2-Signals aus dieser Verteilung als gesichert angenom men werden kann.

Fig. 9 zeigt eine gemessene Häufigkeitsverteilung für ein PSK4-Signal mit vier lokalen Maxima, die einen gegenseiti gen Abstand von ca. 90° und Häufigkeitsverhältnisse auf weisen, die für einen geübten Betrachter der Anzeige oder bei dem Maskenvergleich in der Vergleichseinrichtung VE das Vorliegen eines PSK4-Signals nahelegen.

Claims

1. Einrichtung zur Erkennung phasengetasteter Signale in einem Empfangssignal aus der statistischen Verteilung von Phasendifferenzwerten (Δ R) die jeweils aus einem Paar um einen vorgegebenen Zeitabstand auseinanderliegenden Ab tastwerten der Momentanphase des ins Basisband umgesetzten Empfangssignals gewonnen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Zeitabstands veränderlich vorgebbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Abtastwerte der Momentanphase im Takt eines Abtastsi gnals vorliegen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz des Abtastsignals veränderbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der Phasendifferenzen aus jeweils zwei un mittelbar aufeinanderfolgenden Abtastwerten erfolgt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand ein ganzzahliges Viel faches der Taktperiode des Abtastsignals beträgt, und daß zu jedem Taktschritt die Bildung eines Phasendifferenz werts erfolgt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichseinrichtung die aus den gebildeten Phasendifferenzwerten aufgebauten Häufigkeits verteilungen (Histogramme) einem Maskenvergleich mit abge speicherten Referenzverteilungen unterzieht und daraus selbsttätig eine ggf. erforderliche Veränderung des Zeit abstands veranlaßt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Maskenvergleich eine Ermittlung der relativen Häu figkeitsmaxima und einen Vergleich der Häufigkeiten bei den ermittelten verschiedenen Maxima umfaßt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn zeichnet durch eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung ei ner Häufigkeitsverteilung und durch Bedieneinrichtungen zur Veränderung des Zeitabstands.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anfangseinstellung für den Zeitabstand gegeben ist und der Zeitabstand gemäß die ser Einstellung kürzer ist als die kürzeste vorgesehene Schrittdauer in dem Empfangssignal.