DK168843B1 - Bærebølgereproducerende kredsløb og modtager omfattende et sådant kredsløb - Google Patents

Description

i DK 168843 B1

Opfindelsen angår et bærebølgereproducerende kredsløb til uddragning af bærebølgesignalet fra et impulskodet moduleret bærebølgesignal, hvilket kredsløb omfatter en taktimpulsregenerator, en multiplikator, 5 der har en multiplikations faktor N(N = 2, 3, ...), til generering af en Ν'te harmonisk fra det modulerede bærebølgesignal, et første båndpasfilter koblet til multiplikatoren til isolering af den nævnte Ν'te harmoniske, et samplingkredsløb, der er indsat mellem multi-10 plikatoren og det første båndpasf ilter, og som er koblet til taktimpulsregeneratoren til sampling af den Ν'te harmoniske under styring af et taktimpulssignal, der hidrører fra taktimpulsregeneratoren, i ikke mindre end ét forud fastlagt samplingpunkt pr. symboltid T af 15 datasignalet, og en deler, der har en dividend N, og som er koblet til det første båndpasfilter.

Fra amerikansk patentskrift nr. 3 835 404 kendes et sådant bærebølgereproducerende kredsløb. Dette dokument beskriver et bærebølgereproducerende kreds-20 løb for PSK-signaler, hvor den dirren som følge af faseforskydninger i bærebølgesignalet, der optræder ved bitovergangene, undgås ved at sample med taktimpulser, der har en impulsbredde, der er mindre end afstanden mellem de successive faseforskydninger i det modulerede 25 bærebølgesignal, men har en så stor endelig bredde som muligt.

Det er kendt at benytte kontinuerlig fasemodulation af bærebølgesignaler, fordi de således modulerede bærebølgesignaler har en konstant amplitude, der mulig-30 gør ulineær forstærkning, og fordi de almindeligvis har en smal båndbredde. Denne modulationskategori omfatter bl.a. Tamed Frequency Modulation (TFM), Quadrivalent Three-bit Correlated Cosinusoidal Modulation (Q3RC) og Correlative Phase Shift Keying (CORPSK).

35 Det har vist sig, at en stor værdi for dirren optræder i et bærebølgesignal, der er uddraget fra et DK 168843 B1 2 sådant impulskodet kontinuerligt fasemoduleret bærebølgesignal.

Det er opfindelsens formål på enkel måde stærkt at reducere den dirrevirkning, der optræder, når en 5 signalbærebølge reproduceres fra et kontinuerligt fasemoduleret bærebølgesignal.

Kredsløbet til uddragning af bærebølgesignaler ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved, at det impulskodede modulerede bærebølgesignal er et impulskodet 10 kontinuerligt fasemoduleret bærebølgesignal, der har et rationalt modulations indeks, og at samplingkredsløbet under styring af taktimpulssignalet leverer en øjeblikkelig sampling af den Ν'te harmoniske.

Opfindelsen er baseret på, at når man uddrager 15 et bærebølgesignal fra et kontinuerligt fasemoduleret bærebølgesignal er det væsentligt, at der opnås øjeblikkelig sampling ved forud fastlagte samplingpunkter for at opnå et så pålideligt reproduceret bærebølgesignal som muligt.

20 Det bemærkes, at et bærebølgereproducerende kredsløb til uddragning af bærebølgesignalet fra et impulskodet kontinuerligt fasemoduleret bærebølgesignal bl.a. kendes fra artiklen med titlen "Synchronization properties of continuous phase modulation" af J. Aulin 25 og C.E. Sundberg, offentliggjort i "Conference Papers" fra "Globecom 82, Global Telecommunication Conference, Miami, 29. november - 2. december 1982. I dette kendte kredsløb er der imidlertid ikke tilvej ebragt et samplingkredsløb mellem multiplikatoren og det første 30 båndpasfilter.

Opfindelsen angår også en modtager omfattende et bærebølgereproducerende kredsløb til uddragning af bærebølgesignalet fra et impulskodet moduleret bærebølgesignal, hvilket kredsløb omfatter en taktimpulsregene-35 rator, en multiplikator, der har en multiplikationsfaktor N(N = 2, 3, ...), til generering af en Ν'te harmo- DK 168843 B1 3 nisk fra det modulerede bærebølgesignal, et første båndpasfilter koblet til multiplikatoren til isolering af den nævnte Ν'te harmoniske, et samplingkredsløb, der er indsat mellem multiplikatoren og det første båndpas-5 filter, og som er koblet til taktimpulsregeneratoren til sampling af den Ν'te harmoniske under styring af et taktimpulssignal, der hidrører fra taktimpulsregeneratoren, i ikke mindre end ét forud fastlagt samplingpunkt pr. symboltid T af datasignalet, og en deler, 10 der har en dividend N, og som er koblet til det første båndpasfilter, kendetegnet ved, at det impulskodede modulerede bærebølgesignal er et impulskodet kontinuerligt fasemoduleret bærebølgesignal, der har et rationalt modulationsindeks, og at samplingkredsløbet under 15 styring af taktimpulssignalet leverer en øjeblikkelig sampling af den Ν'te harmoniske.

Opfindelsen og dens fordele forklares i det følgende nærmere under henvisning til de på tegningen viste udførelsesformer, hvor til hinanden svarende ele-20 menter i figurerne er angivet ved samme henvisningsbetegnelser, og hvor fig. 1 viser et blokdiagram af en modtager, der omfatter et bærebølgereproducerende kredsløb for kontinuerlige fasemodulerede signaler, der har rationalt 25 modulationsindeks, ifølge opfindelsen, fig. 2a impulssvaret, og fig. 2b bølgeformen af et 2RC-signal, fig. 3a impulssvaret, og fig. 3b bølgeformen for CORPSK (2-3, 30 1 + D) og duobinær CPM med h = 0,5, og fig. 4a impulssvaret, og fig. 4b bølgeformen for henholdsvis TFM og TFSK.

Med den i fig. l viste modtager, der omfatter et 35 bærebølgereproducerende kredsløb 10, er det muligt på yderst pålidelig måde at uddrage et kontinuerligt fase- DK 168843 B1 4 moduleret bærebølgesignal, CPM-signal, der påføres indgangsterminalen 1, og som har et rationalt modulationsindeks h, således at den resulterende bærebølge har mindre fasedirren. Før forklaringen af det bære- 5 bølgereproducerende kredsløb påbegyndes, belyses opbygningen af et sådant CPM-signal yderligere.

Et informationssignal, der skal overføres digitalt, repræsenteret ved en række (am) af m-nære digitale sympoler, 10 (¾) = · •3_2'®-i'®o,^l,®2/ *·®η (1) hvor am = ±(2n+l) og n=0,l,2,...osv kan repræsenteres som en funktion af tiden ved 15 a(t) =Eamp(t-mT) (2) hvor T repræsenterer varigheden af de digitale symboler, og p(t) repræsenterer en firkantimpuls af en længde som T.

20 Før overføring af sådanne signaler moduleres de fortrinsvis, idet det modulerede bærebølgesignal har en konstant amplitude. Den største fordel ved et sådant bærebølgesignal er, at ulineær signalbehandling, såsom ulineær forstærkning til opnåelse af høj effektivitet, 25 kan anvendes uden at påvirke den i signalet indeholdte information.

Hver digitale modulation, der har en konstant amplitude, kan skrives som: 30 u(t) = cos(©ct + ^(t)) (3) hvor <ac repræsenterer vinkelfrekvensen af bærebølgesignalet og p (t) repræsenterer fasen som funktion af tiden.

35 Hvis φ (t) ændres som funktion af a (t) fås følgende ligning: DK 168843 B1 5 /f (t) = f{a(t)) (4)

Ved faseskiftnøgling, PSK, holdes Cp (t) konstant over symboltiden T og ændres brat ved symbol-5 overgangene.

Imidlertid findes der også typer af modulation, såsom frekvensskiftnøgling med kontinuerlig fase, CPFSK, for hvilke følgene betingelser gælder: 10 d p (t)/d(t) = K.a (t) (5) hvor K er en konstant. Ved frekvensskiftnøgling med kontinuerlig fase kan detekteringsprocessen til opnåelse af et bedre S/N-forhold spredes ud over mere 15 end et symbolinterval.

Eksempler på CPFSK er minimumsskiftnøgling, MSK, og sinus-frekvensskiftnøgling, SFSK. MSK er en modulation, der medfører en lineær faseforskydning på ± π/2 pr. symboltid, hvilket er betegnet ved modula-20 tionsindekset h = 0,5, hvor h er defineret som antallet af π radianer, som fasen ændres pr. symboltid T.

Ved SFSK er ikke blot fasen, men også den første af ledede af fasen ligesom frekvensen kontinuerlig. Dette forbedrer sidebåndsundertrykning.

25 Hvis faseforskydningen ved CPFSK foretages så ledes, at der realiseres en glat faseovergang mellem symbolintervallerne, vil faseændringen ikke længere være konstant over et symbolinterval, og man vil almindeligvis referere til dette som kontinuerlig fasemodula-30 tion, CPM. I betragtning af de altid optrædende faseændringer over hver symboltid må der anvendes et specielt bærebølgereproducerende kredsløb, f.eks. som vist i fig. 1, for at uddrage bærebølgesignalet fra det modtagne CPM-signal.

35 Eksempler på CPM'er er hævet cosinusmodula- tion, Raised Cosine Modulation RCM, der har et selv- DK 168843 B1 6 forklarende navn, og kategorien af korrelativ fasemodulation, Correlative Phase Modulation CORPM.

For at opnå en yderligere udglatning af faseforskydningen, når der anvendes CORPM, afhænger fase-5 ændringen i en symboltid også af en eller et antal forudgående symboltiders information. Kendte CORPM'er er den tæmmede frekvensmodulation, TFM, korrelativ fa-seforskydningsnøgling, CORPSK, og gaussisk modificeret forskydningsnøgling, GMSK.

10 Af alle CPM-typer er kun de, hvori der på faste tidspunkter forekommer i hovedsagen faste faseværdier, der kan betegnes som en hel brøkdel af 2 π, f.eks.

2 π/2, hvor η = ± 1, ±2, ...,af betydning for opfindelsen .

15 Disse modulationstyper vil yderligere blive be tegnet som CPM med et rationalt modulationsindeks h.

Hvis et sådant moduleret bærebølgesignal føres til indgangsterminalen 1 til modtageren, der omfatter det bærebølgereproducerende kredsløb 10, der er vist i 20 fig. 1, føres signalet til en multiplikator 3 på konventionel måde efter at være filtreret i et båndpasfil-ter 2, der yderligere henvises til som et tredje båndpasfilter. En sådan multiplikator 3 omfatter et ulineært element, ved hjælp af hvilket det modulerede 25 bærebølgesignal, der har en faktor M og fortrinsvis er lig med 2/h, multipliceres til opnåelse af en ønsket harmonisk. Som resultat af multiplikationen ender fasevariationerne af det modulerede bærebølgesignal op i samme fase, modulo 2 π. I kendte bærebølgereproduce-30 rende kredsløb for CPM-modulerede signaler føres det således opnåede signal direkte til et første båndpas-filter 4, der har en smal båndbredde, f.eks. af størrelsesordenen 1/100 af fIN, hvor fIN repræsenterer frekvensen af det modtagne signal, til eliminering af 35 alle uønskede harmoniske, hvorefter den ønskede harmoniske af bærebølgesignalet deles i en deler 5, der DK 168843 B1 7 har dividenden N. Det således reproducerede bærebølgesignal føres til en kohærent detektor 6, der ligeledes er koblet til det tredje bredbåndsfilter 2, til kohærent demodulation af det filtrerede indgangssignal.

5 Fig. 2a til 4b viser flere eksempler på CPM- signaler, der har et i hovedsagen rationalt modulationsindeks. Fig. 2a viser impulssvaret g(t) for en impuls ført til en ikke vist modulator i en sender for RC-signaler. Tiden er afsat langs den vandrette akse i 10 enheder af symboltiden T, og amplituden er afsat langs den lodrette akse i enheder af T-1. Denne fig. viser, at impulssvaret for deri repræsenterede RC-mo-dulerede signaler har en længde på 2T og derfor er et CORPM-signal angivet ved 2RC. Fig. 2b viser i en bøl-15 geform faseforskydningen af et bærebølgesignal, der er kontinuerligt fasemoduleret ved hjælp af dette impulssvar. En sådan bølgeform repræsenterer enhver optrædende faseændring som en funktion af tiden for et bærebølgesignal, der er moduleret med et vilkårligt data-20 signal. Langs den lodrette akse er fasen afsat i enheder af hir, medens tiden er afsat langs den vandrette akse i enheder af symboltiden T.

Som vist i disse figurer har fasen til tiderne mT, hvor m = 0, 1, 2,..., en specifik værdi lig 25 med en af værdierne nHir, hvor n = 0, ±1, ±2, ... osv.

Det, at fasen i hovedsagen har faste værdier på de ovenfor nævnte tidspunkter, bevirkes af, at fladen under impulssvarkurven g(t) og følgelig modulationsindekset har værdien lig med h som følge af præmodula-30 tionsfilterets dimensionering, således at fasen pr. tidsenhed T kan skifte nøjagtigt med værdierne af hir.

I de fleste CPM-modulationstyper har faserne til tidspunkterne mT de konstante enestående værdier (0 ± 2 π n) alene efter multiplikation af det module-35 rede bærebølgesignal med faktoren 2/h i multiplikatoren 3. Et eksempel på en undtagelse herfra dannes DK 168843 B1 8 af TFM, hvor en i hovedsagen konstant enestående værdi ((±2n+l) π) optræder ikke alene med en faktor 8, men også med en faktor 4, som det skal forklares i det følgende.

5 Fig. 3 a viser impulssvaret g(t) og fig. 3b viser den relevante bølgeform for CORPSK (2-3, 1+D) fuldt optrukket og for duobinær CPM punkteret. I indiker ingen (2-3, l+D) angiver tallet 2, at informationssignalet, der føres til præmodulationsfilteret, er 10 binært, tallet 3 at udgangssignalet fra præmodulationsfilteret er trinært til modulering af bærebølgesignalet med tre forskellige faseværdier, og 1+D at de successive informationsbit er korrelerede, fordi den øjeblikkelige standardiserede informationsbit, der er 15 betegnet med 1, i præmodulat ions filteret skal adderes til det forudgående informationsbit, der er forsinket over en periodetid T, angivet ved D for delay.

I fig. 3a har arealet under impulssvarkurven 20 g(t) værdien 1/2, så at alle grene af bølgeformen passerer gennem de faste fasepunkter η π/2 til tidspunkterne nT. Multiplikation i multiplikatoren 3, fig.

1, med 2/h = 4 bringer fasen på det førnævnte tidspunkter tilbage til 0 ± 2 π n i den ønskede harmoniske.

25 Som et sidste eksempel viser fig. 4a impulssva ret g(t) og fig. 4b den tilhørende bølgeform for TFM i fuldt optrukne linier, medens der for TFSK, Tamed Frequency Shift Keying, er anvendt punkterede linier.

Også her viser fasen af bærebølgesignalerne sig at ha-30 ve eksakte værdier ved slutningen af symbolintervallerne, i dette tilfælde lig med η π/4. Følgelig kræves der en multiplikation med en faktor 8 i multiplikatoren, fig. 1. Imidlertid viser fig. 4b at faserne i midten af symbolintervallerne altid viser sig at være 35 tæt ved værdierne af π/4 + η π/2, hvor n er et helt tal. Multiplicering af dette signal med en faktor 4 DK 168843 B1 9 i multiplikatoren 3 vil nu være tilstrækkelig til at opnå den i hovedsagen faste værdi π + 2 π n i de førnævnte samplingpunkter (1/2 + m)T i det ønskede harmoniske signal.

5 Til trods for at faserne i de førnævnte samp lingpunkter ikke nøjagtigt har værdierne π/4 + ηπ/2 med hensyn til de faste fasepunkter ved samplingpunkterne mT, er dette fordelagtigt ved, at der kan skabes en pålidelig bærebølgereproduktion blot ved en mul-10 tiplikation med en faktor 4.

For CPM-signaler, der har et rationalt modulationsindeks, kan det ud fra de ovenfor beskrevne eksempler konkluderes, at ved multiplikation ved et helt tal gives faserne af bærebølgesignalet en tilvækst, så-15 ledes, at der ved visse samplingpunkter optræder en enkelt faktisk fast faseværdi i det ønskede harmoniske signal, f.eks. 0 ± 2 π n eller π ± 2 π n, dvs. en bærebølgefase uanset en datarækkes symbolmønster.

Uddragning af bærebølgesignalet ved at føre ud-20 gangssignalet fra multiplikatoren 3 direkte til det smalbåndede båndpasfilter 4 på sædvanlig måde, giver et suboptimalt resultat på grund af den ikke ubetydelige dirren i det reproducerede bærebølgesignal. Denne dirren-virkning optræder, idet mange elementer får for-25 styrrelse til at optræde i signalet efter multiplikatoren 3 foruden de ønskede faseværdier i de før nævnte samplingpunkter.

For at reducere denne dirren-virkning omfatter bærebølgereproduktionskredsløbet 10 et samplingsorgan 30 7, der er indsat mellem multiplikatoren 3 og det første båndpasfilter 4, hvilket samplingsorgan sty res af et taktsignal, der kommer fra en taktsignalre-generator 8. Denne taktsignalregenerator 8 er koblet til det bredbåndede filter 2 til regenerering af 35 et nøjagtigt taktsignal på den kendte måde ud fra det af det bredbåndede filter 2 producerede signal. En DK 168843 B1 10 sådan taktsignalregenerator er f.eks. beskrevet i den nævnte artikel med titlen "Synchronization properties of continuous phase modulation" af T. Aulin og C.E.

Sundberg, offentliggjort i Conference Papers of Globe-5 com 82, Global Telecommunications Conference, Miami, 29.november - 2. december 1982. *

Taktsignalregeneratoren 8 omfatter yderligere et ikke vist forsinkelsesorgan, f.eks. en forsinkelseslinie, der har en sådan forsinkelse, at de forsinkede 10 taktimpulser optræder ved det samplingspunkt, der ønskes for et specielt CPM-signal i hvert symbolinterval.

Hvis modtageren skal være egnet til modtagelse af flere typer af CPM-signaler, kan et enkelt indstilleligt forsinkelsesorgan med fordel anvendes i stedet for 15 flere omskiftelige forsinkelsesorganer.

Da fasen af det modulerede bærebølgesignal kun har den ønskede værdi i et eller i nogle tilfælde i to punkter pr. symbolinterval, er det væsentligt, at fasen kun samples i disse punkter. Dette medfører, at samp-20 ling ved hjælp af samplingimpulser, der er bredere end en øjeblikkelig samplingimpuls, vil have en ødelæggende virkning på nøjagtigheden af det reproducerede bærebølgesignal.

En yderligere forbedring opnås ved indsættelse 25 af et forholdsvis bredt andet båndpasfilter 9, der fortrinsvis har en båndbredde af ordenen fjN, mellem multiplikatoren 3 og samplingsorganet 7 for at isolere den ønskede harmoniskes spektrum.

Forbedringen af et enkelt C.P.M.-signal, der har 30 et rationalt modulationsindeks, og nærmere betegnet et TFM-signal opnået ved sampling skal nu forklares yderligere med henvisning til en tabel, der viser computersimuleringer.

I tabellens første søjle er der vist S/N-for-35 holdet for TFM-signalet, der føres til det reproducerende kredsløb i fig. 1.

DK 168843 B1 11

De tre resterende søjler i tabellen viser kvadratroden af middeltallet af kvadraterne på fasefejlen ΔΦ for det reproducerede bærebølgesignal over de sidste 136 datasymboler af 156 modtagne datasymboler samt 5 modtagerens akkvisitionstid TaCg udtrykt i symboltider, idet der regnes med akkvisition, hvis fasefejlen er mindre end 5°. Nærmere betegnet viser den første af disse tre søjler de før omtalte værdier for en multiplikationsfaktor N=4 uden sampling, den anden søj-10 le viser værdierne for en multiplikationsfaktor N=4 med øjeblikkelig sampling i midten af symbolintervallet, og den tredje søjle viser værdien for multiplikationsfaktoren N=8 med øjeblikkelig sampling ved slutningen af symbolintervallerne.

15

Tabel for TFM-signal S/N Δ (grader)/TaCg (Symboler) 20 (dB) uden samp- med samp- med sampling ling ling _N=4 _N=4_N=8_ 40 0,5/7 0,5/3 0,1/5 16 1,6/2 1,0/6 0,6/2 25 13 2,4/3 1,4/5 1,1/2 10 3,6/10 1,9/7 6,3/7 7 4,9/12 3,3/-

Af denne tabel kan det sluttes, at med øjeblikkelig 30 sampling i midten af bitintervallet (N=4) opnås en betydelig forbedring i undertrykningen af fasedirren for TFM-signaler i sammenligning med de tilfælde, hvor der ikke anvendes nogen sampling. Dette er nærmere betegnet tilfældet ved de S/N-forhold, der har mest betydning i 35 praksis, ved et S/N-forhold på 10 dB er den forbedrede fasedirrenundertrykning endog 6 dB. Med øjeblikkelig

Claims (4)

10 For praktiske værdier af S/N-forholdet må mul tiplikationsfaktoren 4 med midtersampling faktisk foretrækkes. Det ovenfor nævnte eksempel vil have vist at forbedringer svarende til de TFM-signalerne viste ligeledes vil optræde for andre CPM-signaler, der har et 15 rationalt modulationsindeks.

1. Bærebølgereproducerende kredsløb til uddrag-20 ning af bærebølgesignalet fra et impulskodet moduleret bærebølgesignal, hvilket kredsløb omfatter en taktim-pulsregenerator (8), en multiplikator (3), der har en multiplikationsfaktor N(N = 2, 3, ...), til generering af en Ν'te harmonisk fra det modulerede bærebølgesig-25 nal, et første båndpasfilter (4) koblet til multiplikatoren til isolering af den nævnte Ν'te harmoniske, et samplingkredsløb (7), der er indsat mellem multiplikatoren (3) og det første båndpasf ilter (4), og som er koblet til takt impuls regeneratoren (8) til sampling af 30 den Ν'te harmoniske under styring af et taktimpulssig-nal, der hidrører fra taktimpulsregeneratoren, 'i ikke mindre end ét forud fastlagt samplingpunkt pr. symboltid T af datasignalet, og en deler (5), der har en dividend N, og som er koblet til det første båndpas-35 filter, kendetegnet ved, at det impulskodede modulerede bærebølgesignal er et impulskodet kontinu- DK 168843 B1 erligt fasemoduleret bærebølgesignal, der har et rationalt modulationsindeks, og at samplingkredsløbet (7) under styring af taktimpulssignalet leverer en øjeblikkelig sampling af den Ν'te harmoniske. 5

2. Bærebølgereproducerende kredsløb ifølge krav 1, kendetegnet ved, at et andet båndpasfilter (9) er indsat mellem multiplikatoren (3) og samplingkredsløbet (7), hvilket båndpasf ilter (9) har en båndbredde, der langt overskrider båndbredden af det 10 første båndpasfilter (4).

3. Bærebølgereproducerende kredsløb ifølge krav 1, kendetegnet ved, at takt impuls regeneratoren (8) omfatter et indstilleligt forsinkelsesorgan for at være i stand til at reproducere en bærebølge for 15 enhver type kontinuerligt fasemoduleret bærebølgesignal, der har et rationalt modulationsindeks.

4. Modtager omfattende et bærebølgereproducerende kredsløb til uddragning af bærebølgesignalet fra et impulskodet moduleret bærebølgesignal, hvilket 20 kredsløb omfatter en taktimpulsregenerator (8), en multiplikator (3), der har en multiplikationsfaktor N(N = 2, 3, ...), til generering af en Ν'te harmonisk fra det modulerede bærebølgesignal, et første båndpas-filter (4) koblet til multiplikatoren til isolering af 25 den nævnte Ν'te harmoniske, et samplingkredsløb (7), der er indsat mellem multiplikatoren (3) og det første båndpasf ilter (4), og som er koblet til taktimpulsre-generatoren (8) til sampling af den Ν'te harmoniske under styring af et taktimpulssignal, der hidrører fra 30 taktimpulsregeneratoren, i ikke mindre end ét forud fastlagt samplingpunkt pr. symboltid T af datasignalet, og en deler (5), der har en dividend N, og som er koblet til det første båndpas filter, kendetegnet ved, at det impulskodede modulerede bærebølgesignal er 35 et impulskodet kontinuerligt fasemoduleret bærebølgesignal, der har et rationalt modulations indeks, og at DK 168843 B1 samplingkredsløbet (7) under styring af taktimpulssig-nalet leverer en øjeblikkelig sampling af den Ν'te harmoniske.