NL8701290A

NL8701290A - Ontvanger voor een faseverschuivingsgemoduleerd draaggolfsignaal.

Info

Publication number: NL8701290A
Application number: NL8701290A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1987-06-02
Filing date: 1987-06-02
Publication date: 1989-01-02
Also published as: FI882536A0; DE3870712D1; KR890001327A; JPS63311843A; ES2032951T3; EP0293991A1; US4894845A; FI882536A; FI86121B; FI86121C; CA1283707C; KR960002467B1; EP0293991B1; JP2950512B2; HK142793A

Description

ΡΗΝ 12.144 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Ontvanger voor een faseverschuivingsgemoduleerd draaggolfsignaal"

De uitvinding heeft betrekking op een ontvanger voor een modulaatband signaal dat is opgewekt door faseverschuivingsmodulatie van een draaggolf overeenkomstig een datasignaal van gegeven symboolfrequen-tie 1/T, welke ontvanger is voorzien van: 5 - demodulatiemiddelen voor het demoduleren van het ontvangen modulaatband signaal met behulp van een lokale draaggolf en het daardoor opwekken van een gedemoduleerd datasignaal; regeneratiemiddelen voor het regenereren van het gedemoduleerde datasignaal met behulp van een lokale klok en het daardoor opwekken 10 van een geregenereerd datasignaal; draaggolfterugwinmiddelen met een in een fasevergrendelde lus opgenomen lokale draaggolfgenerator die is aangesloten op de demodulatiemiddelen, en met een remodulator voor het faseverschuivingsmoduleren van het ontvangen modulaatband signaal 15 overeenkomstig het geregenereerde datasignaal en het daardoor opwekken van een draaggolfcomponent als ingangssignaal voor de fasevergrendelde lus; en een lokale klokgenerator die is aangesloten op de regeneratie-middelen.

20 Een ontvanger met een dergelijke structuur is bekend uit de tweede editie van het boek "Phaselock Techniques" van F.M. Gardner, Wiley, New York, 1979, Hoofdstuk 11, Sectie 11.2, biz. 217-230.

Bij datatransmissie met behulp van faseverschuivingsmodulatie (PSK) van een draaggolf is een eerste vereiste voor een 25 optimale detectie van het datasignaal dat een stabiele lokale draaggolf met weinig fasejitter beschikbaar is in de ontvanger om het ontvangen modulaatband signaal (PSK-signaal) coherent te kunnen demoduleren. Een bekende methode voor het verkrijgen van deze lokale draaggolf maakt gebruik van het principe van PSK-remodulatie van het ontvangen PSK-30 signaal overeenkomstig het gedemoduleerde datasignaal voor het opwekken van een draaggolfcomponent die dient als ingangssignaal voor een fasevergrendelde lus (PLL) waarin een lokale draaggolfgenerator is 8701290 «

V

PHN 12.144 2 opgenomen (vergelijk Figuren 11.4, 11.5 en 11.8 op blz. 219, 220 en 223 van bovengenoemd boek van Gardner). Bij toepassingen van de ontvanger in systemen waarin het beschikbare signaalvermogen beperkt is en de kanaaleigenschappen ongunstig zijn, zoals het geval is in systemen voor 5 satelliet communicatie en systemen voor mobiele communicatie, kan de signaal-ruisverhouding (SNR) aan de ingang van de ontvanger relatief lage waarden aannemen. In deze omstandigheden verdient het de voorkeur om niet het gedemoduleerde datasignaal, maar het wat betreft amplitude en tijdstip van optreden geregenereerde datasignaal te gebruiken voor de 10 PSK-remodulatie, aangezien de daardoor bereikte verbetering van de ruisonderdrukking tot gevolg heeft dat een betrouwbare terugwinning van de draaggolf kan worden gewaarborgd voor lagere SNR-waarden aan de ingang van de ontvanger. De foutenkans van de ontvangen datasymbolen wordt uiteraard wel groter bij deze lagere SNR-waarden, maar de invloed 15 van de vergrote foutenkans kan doelmatig worden bestreden door het toepassen van foutencorrigerende codes zolang de ontvanger kan beschikken over een betrouwbaar teruggewonnen draaggolf. Een vereiste voor het bereiken van deze verbetering van de transmissiekwaliteit is dat de ontvanger ook bij deze lagere SNR-waarden beschikt over een 20 stabiele lokale klok met weinig fasejitter. Wanneer daartoe gebruik wordt gemaakt van de bekende methoden voor het terugwinnen van de lokale klok uit het gedemoduleerde datasignaal zoals beschreven in Sectie 11.3, blz. 230-249 van bovengenoemd boek van Gardner, treedt echter het bezwaar op dat voor het opwekken van een klokcomponent als ingangs-25 signaal voor een fasevergrendelde lus waarin de lokale klokgenerator is ( 0Ver het algemeen operaties nodig zijn die resulteren in de introductie van extra ruis in het regelsignaal voor de lokale klokgenerator. In het bijzonder is dit het geval bij operaties zoals gelijkrichten, kwadratreren of begrenzen, die gebaseerd zijn op het 30 gebruik van elementen met een niet-lineaire amplitude-overdrachts-karakteristiek. De aldus geïntroduceerde extra ruis houdt in dat hogere SNR-waarden aan de ingang van de ontvanger nodig zijn om een betrouwbare klokterugwinning te kunnen waarborgen.

De uitvinding beoogt een nieuwe conceptie voor het 35 verkrijgen van een lokale klok in een ontvanger van de in de aanhef vermelde soort te verschaffen, welke conceptie het mogelijk maakt om de betrouwbaarheid van de draaggolfterugwinning bij lage SNR-waarden aan de 87&1290 « * PHN 12.144 3 ingang van de ontvanger te verbeteren.

De ontvanger volgens de uitvinding heeft daartoe het kenmerk, dat de regeneratiemiddelen zijn ingericht voor het tevens opwekken van 5 een vertraagde en een vervroegde versie van het geregenereerde datasignaal met respectievelijk een vertraging en een vervroeging ten opzichte van het geregenereerde datasignaal over een tijdinterval Δ kleiner dan symboolinterval T; en de ontvanger tevens is voorzien van middelen die in responsie op 10 het ontvangen modulaatband signaal en de lokale draaggolf een basisband regelsignaal voor de lokale klokgenerator opwekken, welk regelsignaal representatief is voor het verschil tussen de correlatiefunctie van het aan het ontvangen modulaatband signaal inherente datasignaal met de vertraagde versie van het 15 geregenereerde datasignaal en de correlatiefunctie van het aan het ontvangen modulaatband signaal inherente datasignaal met de vervroegde versie van het geregenereerde datasignaal, en welke lokale klokgenerator in responsie op genoemd regelsignaal een zodanige lokale klok toevoert aan de regeneratiemiddelen dat het 20 geregenereerde datasignaal synchroon is met het datasignaal dat inherent is aan het aan de remodulator toegevoerde ontvangen modulaatband signaal.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: 25 Figuur 1: een blokschema toont van een ontvanger volgens de uitvinding voor binaire PSK-signalen;

Figuur 2: een blokschema toont van regeneratiemiddelen die in de ontvanger van figuur 1 kunnen worden toegepast;

Figuur 3: een viertal tijddiagrammen toont van de 30 kloksignalen die in de regeneratiemiddelen van figuur 2 worden gebruikt;

Figuur 4: de gedaante toont van het regelsignaal voor de lokale klokgenerator van figuur 1; en

Figuur 5: een tweetal krommen toont ter illustratie van de bitfoutenkans (BER) als functie van de SNR-waarden aan de ingang van 35 de ontvanger volgens figuur 1.

De toelichting van de onderhavige ontvanger wordt gegeven voor het geval dat het ontvangen modulaatband signaal in de 870129° PHN 12.144 4 zender is opgewekt door faseverschuivingsmodulatie (PSK) van een draaggolf met een frequentie fc van bijvoorbeeld fc = 70 MHz overeenkomstig een binair datasignaal a(t), waarin de symbolen (bits) een golfvorm van het NRZ-type (Non-Return-to-Zero) hebben en optreden 5 met een symbool(bit)frequentie 1/T van bijvoorbeeld 1/T = 1 MHz, en het spectrum van het aldus opgewekte binaire PSK-signaal (hierna aangeduid als BPSK-signaal) door filtering is beperkt tot zijn hoofdlob met een breedte van 2/T = 2 MHz.

In de ontvanger van figuur 1 wordt het ontvangen BPSK-10 signaal zoveel mogelijk ontdaan van ruis en storingen met behulp van een banddoorlaatfilter BPF^ met een centrale frequentie gelijk aan draaggolffrequentie fc = 70 MHz en met een bandbreedte die zo is gekozen dat geen noemenswaardig verlies van signaalvermogen optreedt. Gezien de breedte 2/T = 2 MHz van de hoofdlob'van het BPSK-spectrum is 15 een (3 dB) bandbreedte van ongeveer 2,5 MHz een geschikte keuze voor dit banddoorlaatfilter BPF^. Het aldus gefilterde BPSK-signaal wordt coherent gedemoduleerd in een PSK-demodulator DEM, die in dit geval wordt gevormd door een vermenigvuldiger, en het gedemoduleerde datasignaal wordt geselecteerd met behulp van een laagdoorlaatfilter LPF 20 met een overdrachtskarakteristiek die in hoofdzaak constant is voor frequenties tot aan ongeveer de Nyquist-frequentie 1/(2T) van het binaire datasignaal a(t). Een geschikte keuze voor dit laagdoorlaatfilter LPF is een vierde-orde Butterworth-Thomson filter met een (3 dB) bandbreedte van 0,54/T = 540 kHz.

25 De lokale draaggolf van frequentie fc die nodig is voor de coherente demodulatie wordt teruggewonnen uit het ontvangen BPSK-signaal met gebruikmaking van het principe van PSK-remodulatie van dit BPSK-signaal overeenkomstig het gedemoduleerde datasignaal voor het opwekken van een draaggolfcomponent die dient als ingangssignaal voor 30 een fasevergrendelde lus waarin een lokale draaggolfgenerator is opgenomen. Voor het verkrijgen van een lokale draaggolf met zo weinig mogelijk fasejitter verdient het de voorkeur om niet het gedemoduleerde datasignaal zelf, maar het wat betreft amplitude en tijdstip van optreden geregenereerde datasignaal te gebruiken voor deze PSK-35 remodulatie.

In de ontvanger van figuur 1 is het hierboven beschreven systeem voor de terugwinning van de lokale draaggolf nu als volgt 8701 290 PHN 12.144 5 geïmplementeerd. Het gedemoduleerde datasignaal aan de uitgang van laagdoorlaatfilter LPF wordt toegevoerd aan een harde-begrenzer HL voor het verkrijgen van een wat betreft amplitude geregenereerd binair datasignaal i(t) dat vervolgens wat betreft tijdstip van optreden 5 wordt geregenereerd in een binaire dataregenerator DR die via een tempeereenheid Tü is aangesloten op een generator VC02 voor het opwekken van een lokale klok van bitfrequentie 1/T. Dataregenerator DR levert een volledig, dus wat betreft zowel ampltitude als ook tijdstip van optreden, geregenereerd binair datasignaal dR(t) aan een PSK-10 remodulator REM voor het ontvangen BPSK-signaal, welke remodulator REM in dit geval wederom wordt gevormd door een vermenigvuldiger. Aangezien zowel laagdoorlaatfilter LPF als ook dataregenerator DR een vertraging introduceren, wordt het gefilterde BPSK-signaal aan de uitgang van banddoorlaatfilter BPF-j aan remodulator REM toegevoerd via een 15 vertragingselement D^ voor het introduceren van een compenserende vertraging, zodat het geregenereerde datasignaal aR(t) synchroon is et het datasignaal a(t) dat inherent is aan het aan remodulator REM toegevoerde gefilterde BPSK-signaal. Wanneer eenvoudigheidshalve de invloed van filtering en die van ruis en storingen buiten beschouwing 20 worden gelaten en het aan remodulator REM toegevoerde BPSK-signaal wordt geschreven als a(t).sin(2ïïfct + 0C) waarbij 0C de draaggolffase is, dan resulteert remodulatie overeenkomstig het geregenereerde datasignaal aR(t) in een signaal 25 van de vorm iR(t).a(t).sin(2ïïfct + 0C)

Wanneer geen transmissiefouten optreden is aR(t) gelijk aan a(t), zodat afgezien van een hier onbelangrijke schaalfactor een volmaakte draaggolfreferentie 30 sin(2ïïfct + 0C) wordt teruggewonnen. Echter in de praktijk treden in aR(t) altijd bitfouten op met een bepaalde bitfoutenkans en bovendien is aR(t) niet volledig bit-synchroon met a(t) als gevolg van fase-afwijkingen van lokale klokgenerator VC02 die resulteren in een verschuiving van 35 êR(t) ten opzichte van aft) over een tijdinterval pT (hierna aangeduid als klokfasefout). De absolute waarde van deze klokfasefout pT is nooit groter dan T/2 omdat een verschuiving van de lokale klok over 8701 219 0 ♦ PHN 12.144 6 een tijdinterval -T/2 gelijkwaardig is met een verschuiving over een tijdinterval +T/2. Deze klokfasefouten alsmede de bitfouten veroorzaken kortstondige tekeninversies van het product aR(t).a(t) en daardoor van de draaggolfcomponent aan de uitgang van remodulator REM. Bijgevolg 5 wordt deze draaggolfcomponent verontreinigd door multiplicatieve ruis en bovendien door additieve ruis en storingen die vanaf de ingang van de ontvanger doordringen. Het uitgangssignaal van remodulator REM wordt daarom eerst gefilterd met behulp van een banddoorlaatfilter BPF2 met een centrale frequentie gelijk aan draaggolffrequentie fc = 70 MHz en 10 met een (3 dB) bandbreedte van bijvoorbeeld 200 kHz, en daarna toegevoerd aan een fasevergrendelde lus PLL waarin een signaalgeregelde generator VCO^ is opgenomen voor het opwekken van een lokale draaggolf van frequentie fc. Deze fasevergrendelde lus PLL bevat verder een fasedetector PD voor het detecteren van het momentele faseverschil 15 tussen de lokale draaggolf en het van banddoorlaatfilter BPF2 afkomstige signaal, alsmede een laagdoorlaatfilter F^ voor het verkrijgen van een regelsignaal voor generator VCO^ Aangezien fasedetector PD van het vermenigvuldigertype is, treedt fasever-grendeling van deze lus PLL op bij een nominaal faseverschil van 90° 20 tussen de beide ingangssignalen van fasedetector PD, zodat de lokale draaggolf afgezien van een contante schaalfactor te schrijven is als cos(2ïïfct + 0q) waarbij 0q de lokale draaggolffase is en de fasefout 0e = 0C~ 0q bij fasevergrendeling zeer gering is. Deze lokale draaggolf van 25 generator VCO^ wordt via een 90° faseverschuiver PS toegevoerd aan DEM. Om te bewerkstelligen dat de aan demodulator DEM en remodulator REM toegevoerde BPSK-signalen een juiste onderlinge faserelatie bezitten, dient de vertragingstijd van vertraging compenserend element D^ bovendien zo te worden gekozen dat de daardoor 30 geïntroduceerde faseverschuiving bij draaggolffrequentie fc een geheel veelvoud van 180° bedraagt. Deze waarde van 180° is een gevolg van het feit dat fasevergrendelde lus PLL zowel bij een nominale fasefout 0e = 0° als bij een nominale fasefout 0g = 180° in vergrendeling kan komen. Overigens is deze fase-dubbelzinnigheid geen 35 tekortkoming van fasevergrendelende lus PLL, maar een typische eigenschap van alle PSK-technieken (vergelijk de reeds genoemde Sectie 11.2 van het boek van Gardner). De invloed van deze fase-dubbelzinnig- 8701290 PHN 12.144 7 heid op de datatransmissie is op bekende wijze te elimineren door in de zender differentiële codering toe te passen voorafgaand aan de BPSK-modulatie en in de ontvanger differentiële decodering volgend op de BPSK-demodulatie en de regeneratie. Deze differentiële decodering van 5 geregenereerd datasignaal aR(t) voor de eigenlijke datatransmissie is in de ontvanger van figuur 1 niet getoond omdat deze decodering van ondergeschikt belang is voor de onderhavige beschrijving.

Wat betreft de praktische implementatie van fasever-grendelde lus PLL in het beschreven systeem voor de terugwinning van de 10 draaggolf wordt opgemerkt dat zijn (3 dB) bandbreedte zo wordt gekozen dat ook voor de maximaal te verwachten frequentie-afwijkingen van zijn ingangssignaal ten opzichte van de nominale waarde van fc = 70 MHz de lus PLL nog voldoende snel vanuit de niet-vergrendelde toestand in de vergrendelde toestand komt. Bij frequentie-afwijkingen van maximaal 15 5 kHz is een waarde van bijvoorbeeld 20 kHz voor de (3 dB) bandbreedte van lus PLL ruimschoots voldoende. Na het bereiken van de fasever-grendeling wordt deze (3 dB) bandbreedte verkleind tot een waarde van bijvoorbeeld 1 kHz om de fasejitter van de lokale draaggolf te verminderen. Dit kan op bekende wijze worden bewerkstelligd door 20 omschakeling van weerstanden in lusfilter onder besturing van het afgevlakte uitgangssignaal van een (in figuur 1 niet getoonde) kwadratuur-fasedetector die in de meest gangbare uitvoeringen van een fasevergrendelde lus reeds als vergrendel-indicator aanwezig is (vergelijk blz. 88-89 van het boek van Gardner). Verder wordt 25 banddoorlaatfilter BPF2 bij voorkeur geïmplementeerd als banddoorlaat-begrenzer teneinde een signaal van constante amplitude toe te voeren aan fasedetector PD in fasevergrendelde lus PLL. De invloed van de begrenzer op de signaal-ruisverhouding (SNR) blijft beperkt tot een zeer geringe verslechtering van maximaal 1,05 dB voor zeer lage SNR-30 waarden aan de ingang (vergelijk Sectie 6.11, blz. 125-128 van het boek van Gardner). De faseverschuivingen die in banddoorlaatfilter BPF2 optreden als gevolg van frequentie-afwijkingen van zijn ingangssignaal ten opzichte van zijn centrale frequentie van fc = 70 MHz, blijven eveneens beperkt tot zeer geringe waarden bij de gekozen waarde van 35 200 kHz voor de (3 dB) bandbreedte en de maximale waarde van 5 kHz voor deze frequentie-afwijkingen.

De aantrekkelijkheid van het beschreven systeem voor de 87 01 29 0 PHN 12.144 8 terugwinning van de draaggolf kan worden gedemonstreerd door dit systeem te vergelijken met een tweetal andere systemen, waarvan het gedrag is beschreven op blz. 226-230 van het boek van Gardner. Bij deze vergelijking zijn de relevante omstandigheden voor alle systemen gelijk, 5 dat wil zeggen dat hetzelfde banddoorlaatfilter BPF1 en dezelfde fasevergrendelde lus PLL worden toegepast en dat verder de signaal-ruisverhouding SNR in de doorlaatband van filter BPF1 voor alle systemen dezelfde waarde heeft. In het eerste bekende systeem wordt een ongemoduleerde draaggolf toegevoerd aan filter BPF1 en wordt lus PLL 10 direct aangesloten op de uitgang van filter BPF^. Het tweede bekende systeem verschilt daarin van het onderhavige systeem dat het gedemoduleerde datasignaal aan de uitgang van laagdoorlaatfilter LPF wordt gebruikt voor de BPSK-remdodulatie in remodulator REM. In het boek van Gardner wordt het eerste bekende systeem gekarakteriseerd als een 15 eerste-orde systeem (N=1) omdat het regelsignaal in de lus PLL evenredig is met sin(0e), waarbij 0e = 0C~ 0Q de fasefout is. Het tweede bekende systeem wordt gekarakteriseerd als een tweede-orde systeem (N=2) omdat het regelsignaal in de lus PLL evenredig is met sin(20e), en verder wordt de invloed van de multiplicatiever ruis bij de remodu-20 latie vertolkt door een verliesfactor die toeneemt met afnemende SNR-waarden. Het gedrag van dit tweetal bekende systemen is geïllustreerd in Fig. 11.11 van het boek van Gardner door de krommen voor N=1 en N=2. Wanneer nu voor het in figuur 1 getoonde systeem wordt verondersteld dat de klokfasefout pT zeer klein is, dan blijkt dat voor hoge SNR-waarden, 25 waarvoor multiplicatieve ruis bij de remodulatie als gevolg van bit-m3g worden verwaarloosd, het onderhavige systeem zich gedraagt als een eerste-orde systeem omdat het regelsignaal in de lus PLL evenredig is met sin(0e). Verder blijkt dat bij afnemende SNR-waarden weliswaar een langzaam toenemende verslechtering optreedt ten opzichte 30 van een eerste-orde systeem, maar dat het gedrag van het onderhavige systeem ook bij lage SNR-waarden nog steeds aanmerkelijk beter is dan dat van een tweede-orde systeem.

Voor het bereiken van de verbeterde betrouwbaarheid van de teruggewonnen draaggolf bij lage SNR-waarden dient de ontvanger wel 35 te beschikken over een lokale klok van bitfrequentie 1/T die ook bij deze lage SNR-waarden nog voldoende betrouwbaar is. In de onderhavige ontvanger wordt nu een nieuwe conceptie toegepast voor het terugwinnen 8701290 PHN 12.144 9 van deze lokale klok uit het ontvangen BPSK-signaal, welke nieuwe conceptie gebruik maakt van zowel coherente demodulatie met behulp van de lokale draaggolf als ook van correlatie van het aan het ontvangen BPSK-signaal inherente datasignaal a(t) met vertraagde en vervroegde 5 versies van het volledig geregenereerde datasignaal aR(t) teneinde een regelsignaal op te wekken voor lokale klokgenerator VC02.

In de ontvanger van figuur 1 is deze nieuwe conceptie nu als volgt geïmplementeerd. Dataregenerator DR en tempeereenheid Tü zijn ingericht om zowel het geregenereerde datasignaal aR(t) als ook 10 vervoegde en vertraagde versies a£(t) en aL(t) van datasignaal iR(t) op te wekken, waarbij de vervroeging en de vertraging beide corresponderen met een verschuiving over een tijdinterval Δ dat kleiner is dan bitinterval T. Voor het geval dat een tijdinterval Δ=Τ/4 wordt gekozen, geldt dan 15 êE(t) = aR(t+T/4) = aL(t+T/2)

Een mogelijke praktische implementatie van dataregenerator DR en tempeereenheid Tü voor dit geval is getoond in figuur 2 en de daarbij gebruikte kloksignalen zijn getoond in figuur 3. Dataregenerator DR bevat een cascade van vier D-flipflops die onderling verbonden zijn op 20 de in figuur 2 getoonde wijze. De ingang van deze cascade ontvangt datasignaal S(t) aan de uitgang van harde-begrenzer HL in figuur 1 en aan de uitgang van de tweede, derde en vierde D-flipflop zijn de respectieve geregenereerde datasignalen aE(t), iR(t) en aE(t) beschikbaar. De respectieve kloksignalen Cp, CE, CR en CE voor 25 de vier D-flipflops worden in tempeereenheid Tü van figuur 2 afgeleid uit de lokale klok van klokgenerator VCO2 in figuur 1. Deze lokale klok vormt het kloksignaal CD voor de eerste D-flipflop en de overige kloksignalen CE, CR en CE worden uit de lokale klok afgeleid met behulp van en een tweetal vertragingselementen D2, D3 en een 30 inverter die onderling verbonden zijn op de in figuur 2 getoonde wijze. De vertragingstijd van element D3 is gelijk aan het tijdinterval Δ=Τ/4. Ten aanzien van de vertragingstijd van element D2 wordt opgemerkt dat vertragingselement D1 in figuur 1 thans bovendien een compenserende vertraging moet leveren voor het tijdinterval Δ=Τ/4 35 waarover datasignaal aR(t) is vertraagd ten opzichte van datasignaal iR(t). Voor de vertragingstijd van element D.j is een waarde van 1,25 T gekozen die enerzijds voldoet aan de eis dat de daardoor 8701290 PHN 12.144 10 veroorzaakte faseverschuiving bij draaggolffrequentie fc een geheel veelvoud van 180° is en die anderzijds ruimschoots voldoende is om bij de vorming van datasignaal ag(t) te compenseren voor de vertragings-tijd van laagdoorlaatfilter LPF. Het verschil tussen de vertragingstijd 5 van dit laagdoorlaatfilter LPF, die bijvoorbeeld 0,625 T bedraagt, en de duur T van één bitinterval wordt gecompenseerd met behulp van vertragingselement D2 in tempeereenheid TU, welk element D2 in dit voorbeeld dus een vertragingstijd van 0,375 T bezit.

Om te bereiken dat geregenereerd datasignaal aR(t) 10 synchroon is met datasignaal a(t) dat inherent is aan het aan remodulator REM toegevoerde BPSK-signaal, is lokale klokgenerator VCO2 in de ontvanger van figuur 1 opgenomen in een klokvolgeenheid CTÜ die verder is voorzien van middelen welke in responsie op dit BPSK-signaal en de lokale draaggolf een basisband regelsignaal opwekken voor 15 klokgenerator VCO2. Daartoe bevat klokvolgeenheid CTU een tweetal PSK-remodulatoren M^ en Mg die in dit geval wederom worden gevormd door vermenigvuldigers. Op het gefilterde en vertraagde BPSK-signaal aan de uitgang van vertragingselement wordt in deze remodulatoren Mg en Mg een PSK-remodulatie uitgevoerd overeenkomstig de vertraagde versie 20 ég(t) respectievelijk de vervroegede versie dg(t) van geregenereerd datasignaal aR(t). Met behulp van een sommator AD wordt het uitgangssignaal van remodulator Mg afgetrokken van het uitgangssignaal van remodulator Mg en de draaggolfcomponent van het verschilsignaal aan de uitgang van sommator AD wordt vervolgens geselecteerd met behulp 25 van een banddoorlaatfilter BPF3 en coherent gedemoduleerd in een demodulator CD met behulp van de lokale draaggolf aan de uitgang van faseverschuiver PS. Tenslotte wordt het basisband regelsignaal voor lokale klokgenerator VCO2 verkregen met behulp van een laagdoorlaatfilter F2 dat is aangesloten op demodulator CD.

30 Het hoofdkarakter van dit basisband regelsignaal kan nu afgeleid worden door evenals in het voorgaande de invloed van filtering en ruis buiten beschowing te laten en het aan klokvolgeenheid CTU toegevoerde BPSK-signaal te schrijven als a(t).sin(2nfct + 6C) 35 Remodulatie van dit BPSK-signaal overeenkomstig de vertraagde en vervroegde versies aL(t) en a£(t) van geregenereerd datasignaal aR(t) resulteert dan in de uitgangssignalen 8701 29.0 PHN 12.144 11 êL(t).a(t).sin(2nfct + 0C) è£(t).a(t).sin(2ïïfct + 0C) van remodulatoren ML en M£. Wanneer fasevergrendelde lus PLL de fasefout θ£ = 9C~ 0q tot de waarde nul heeft teruggebracht, zodat 5 afgezien van een constante schaalfactor de aan faseverschuiver PS ontleende draaggolf als sin(2ïïfct + 0C) kan worden geschreven, dan resulteert de aftrekoperatie in sommator AD en de daarop volgende coherente demodulatie in demodulator CD in een 10 basisband uitgangssignaal van de vorm aL(t).a(t) - aE(t).a(t) afgezien van een schaalfactor 0,5. In afwezigheid van transmissiefouten is geregenereerd datasignaal aR(t) een over een tijdinterval pT verschoven versie a(t + pT) van datasignaal a(t), waarbij pT de klokfase-15 fout van de lokale klok is. Op grond van de relaties tussen iE(t), aL(t) en aR(t) is het basisband uitgangssignaal van demodulator CD dan te schrijven als a(t+pT-T/4).a(t) - a(t+pT+T/4).a(t)

Aangezien laagdoorlaatfilter F2 de gemiddelde waarde van dit signaal 20 vormt over een tijdinterval dat zeer groot is ten opzichte van het bitinterval T, wordt het uitgangsignaal van dit filter F2 in zeer goede benadering gegeven door a(t+pT-T/4).a(t) - a(t+pT+T/4).a(t) waarbij de bovenstreep de mathematische middelingsoperatie symboliseert, 25 Nu is de autocorrelatiefunctie R(tr) van datasignaal a(t) gedefinieerd R( tf) “ a(t) .a(t+ti} zodat het uitgangssignaal van filter F2 en dus het regelsignaal voor klokgenerator VC02 te schrijven is als 30 R(pT-T/4) - R(pT+T/4)

Figuur 4 toont de gedaante van dit regelsignaal als functie van de klokfasefout pT voor het geval dat de symbolen van binair datasignaal a(t) een golfvorm van het NRZ-type hebben en de waarden +1 en -1 aannemen. In figuur 4 zijn de beide termen in bovenstaande uitdrukking 35 afzonderlijk weergegeven, waarbij de eerste term is aangeduid met R^ en de tweede term met -RE, zodat het regelsignaal gegeven wordt door R^-Rg. Aangezien de klokfasefout pT nooit groter kan zijn dan T/2 8701290 PHN 12.144 12 bevindt het regelsignaal zich altijd in het dik getrokken deel van de regelkromme R^-Re *i9uur 4.

In bovenstaande beschouwing is geen rekening gehouden met de filtering van het BPSK-signaal in de zender en in banddoorlaatfilters 5 BPF1( BPF-j van de ontvanger van figuur 1. Deze filtering heeft tot gevolg dat de gedaante van de samenstellende delen RL en R£ van de regelkromme zal afwijken van de in figuur 4 getoonde driehoekvormige gedaante van de autocorrelatiefunctie van datasignaal a(t), maar wel in hoofdzaak hetzelfde karakter zal houden. Figuur 4 blijft derhalve 10 representatief voor het hoodkarakter van de regelkromme RL-RE.

Wat betreft de invloed van ruis komt uit de beschrijving van de afleiding van het regelsignaal een belangrijk voordeel naar voren van de nieuwe methode voor het terugwinnen van de lokale klok uit het ontvangen BPSK-signaal. In tegenstelling tot andere bekende methoden 15 (vergelijk blz. 230-249 van het boek van Gardner) maakt deze nieuwe methode voor het opwekken van het regelsignaal voor klokgenerator VCO2 geen gebruik van elementen met een niet-lineaire amplitude-overdrachts-karakteristiek die resulteren in de introductie van extra ruis in dit regelsignaal. Hierdoor zal een betrouwbare terugwinning van een lokale 20 klok met weinig fasejitter bij lagere SNR-waarden aan de ontvangeringang gewaarborgd kunnen blijven dan in het geval van toepassingen van deze andere bekende methoden.

Ten aanzien van de praktische implementatie van het in figuur 1 getoonde systeem (CTU, TU, DR) voor de terugwinning van de klok 25 wordt opgemerkt dat de (3 dB) bandbreedte van de door dit systeem iU3 zo WOrdt gekozen dat ook voor de maximaal te verwachten frequentie-afwijkingen van de klok in het transmissiesysteem ten opzichte van de nominale waarde van 1/T = 1 MHz de lus nog voldoende snel vanuit de niet-vergrendelde toestand in de vergrendelde toestand 30 komt. Bij klokfrequentie-afwijkingen die in de praktijk veel minder dan 100 Hz bedragen, is een waarde van bijvoorbeeld 250 Hz voor de (3 dB) lus-bandbreedte daartoe ruimschoots voldoende. Aangezien deze lus-bandbreedte voornamelijk bepaald wordt door de bandbreedte van laagdoorlaat lusfilter F2, is de (3 dB) bandbreedte van 35 bandoorlaatfilter BPF3 van ondergeschikt belang. In het beschreven voorbeeld is een vrij willekeurige waarde van 200 kHz voor deze (3 dB) bandbreedte van banddoorlaatfilter BPF3 gekozen.

8701290 PHN 12.144 13

Na de reeds gegeven uitvoerige uiteenzettingen behoeft het geen verder betoog dat de nieuwe conceptie voor de terugwinning van de klok resulteert in een verbeterde betrouwbaarheid van de terugwinning van de draaggolf bij lage SNR-waarden aan de ingang van de 5 ontvanger. Deze verbeterde betrouwbaarheid wordt bevestigd door experimenten met het beschreven voorbeeld van de ontvanger in figuur 1, in welke experimenten de SNR-waarde aan de ingang van de ontvanger wordt aangegeven door de in dB uitgedrukte waarde van de verhouding E^/Nq, waarbij Ej, de ontvangen signaalenergie per bitinterval T is en Nq de 10 spectrale vermogensdichtheid van additieve witte Gaussische ruis. Uit deze experimenten blijkt dat het onderhavige systeem voor de gecombineerde terugwinning van de draaggolf en de klok in vergrendeling blijft tot aan waarden E^/Nq van ongeveer -10 dB, hetgeen een verbetering van 4-6 dB inhoudt ten opzichte van bekende tweede-orde 15 systemen voor de terugwinning van de draaggolf.

Uit de gegeven uiteenzetting alsmede uit het blokschema van figuur 1 blijkt dat in de onderhavige ontvanger een sterke samenhang bestaat tussen de terugwinning van de draaggolf, de terugwinning van de klok en de detectie van het datasignaal. Fouten in één van deze drie 20 processen beïnvloeden de andere twee processen. Door deze sterke samenhang rijst de vraag of het onderhavige systeem voor de gecombineerde terugwinning van de draaggolf en de klok vanuit de niet-vergrendelde toestand in de vergrendelde toestand kan komen. Deze vraag kan bevestigend worden beantwoord. Immers bij een afwijkende 25 klokfrequentie kan de klokfasefout pT niet groter worden dan T/2, zoals in het voorgaande is uiteengezet. Wanneer in dit geval de draaggolflus PEL in de vergrendelde toestand verkeert, zal de kans op foutief gedetecteerde databits bij niet al te lage waarden Eb/Ng niet groter worden dan 0,25. In deze situatie is er aan de uitgang van remodulator 30 REM nog steeds een draaggolfcomponent met voldoende vermogen voor een betrouwbare terugwinning van de draaggolf. Klokterugwinning is dus in principe niet nodig voor de draaggolfterugwinning. Om daarentegen de klok terug te kunnen winnen is wel een teruggewonnen draaggolf nodig voor de coherente demodulatie in demodulator CD van klokvolgeenheid 35 CTU. Wanneer de draaggolflus PEL uit vergrendeling is, zoals bij het inschakelen van de ontvanger, zal de draaggolffasefout 0e als functie van de tijd variëren met een frequentie gelijk aan het frequentie- 8701290 PHN 12.144 14 verschil tussen de beide ingangssignalen van fasedetector PD. Indien dit frequentieverschil veel kleiner is dan de klokfrequentie 1/T, wat in het algemeen het geval is, varieert deze fasefout 0e van 0° tot 360° op een wijze die langzaam is vergeleken bij de bitfrequentie 1/T waarmee 5 het datasignaal varieert. Gedurende één periode (van 360°) van deze variërende fasefout 0e worden vele databits gedetecteerd, echter met een foutenkans die afhangt van klokfasefout pT en draaggolf-fasefout 0e. Tijdens deze periode van 360° treden twee bereiken op waarin databits gedetecteerd worden met een minimale foutenkans, en wel 10 de bereiken rond de waarden 0e = 0° en 0e = 180°. Deze bereiken zijn stabiele punten waarop de draaggolflus PLL kan vergrendelen, aangezien de variatie van de fasefout 0e zeer langzaam is vergeleken bij de variatie van het datasignaal met de bitfrequentie 1/T en er dus voldoende databits juist worden gedetecteerd om aan de uitgang van 15 remodulator REM een draaggolfcomponent te geven met voldoend vermogen om draaggolflus PLL in vergrendeling te laten komen. Na de vergrendeling van de draaggolflus PLL is een betrouwbare teruggewonnen draaggolf beschikbaar voor de coherente demodulator CD in klokvolgeenheid CTU zodat ook de kloklus (CTU, TU, DR) in vergrendeling kan komen. Daarmee 20 is het gecombineerde systeem voor de terugwinning van de draaggolf en de klok in zijn geheel vanuit de niet-vergrendelde toestand in de vergrendelde toestand gekomen. Uit de reeds vermelde experimenten met het beschreven voorbeeld van de ontvanger in figuur 1 blijkt dat het onderhavige systeem voor de gecombineerde terugwinning van draaggolf en 25 klok na verlies van vergrendeling weer in de vergrendelde toestandt komt tnirir v-P-rden E^/Nq groter dan ongeveer -6 dB.

De prestaties van het onderhavige systeem worden duidelijk zichtbaar in figuur 5 die de bitfoutenkans (BER) toont als functie van E^/Nq. In verband met de reeds eerder vermelde fase-30 dubbelzinnigheid (fasevergrendelde lus PLL kan bij 0e = 0° of bij 0e = 180° in vergrendeling komen) heeft de in figuur 5 getoonde BER-waarde niet betrekking op de bits van geregenereerd datasignaal aR(t) dat wordt gebruikt voor de BPSK-remodulatie, maar op databits die uit de bits van a^(t) zijn afgeleid met behulp van 35 differentiële decodering, waarbij in de zender differentiële codering is toegepast voor de vorming van de bits van datasignaal a(t).

De gestreepte kromme in figuur 5 toont voor deze differentieel 8701290 PHN 12.144 15 gedecodeerde databits de BER-waarden die in theorie haalbaar zijn. De getrokken kromme in figuur 5 toont de BER-waarden die voor hetzelde geval gemeten zijn in de reeds vermelde experimenten. Uit figuur 5 blijkt dat het onderhavige systeem in vergelijking met de theoretische 5 situatie een geringe verslechtering geeft die minder dan 1 dB bedraagt. Verder blijkt dat de databits ook bij zeer lage waarden voor Ejj/Nq nog steeds kunnen worden gedetecteerd. Uiteraard is de BER-waarde dan relatief hoog, maar de invloed daarvan kan doelmatig worden bestreden door foutencorrigerende codes zolang het onderhavige systeem in 10 vergrendeling blijft, hetgeen zoals vermeld het geval is tot aan waarden Efa/No van ongeveer -10 dB. Uit deze experimenten blijkt tevens dat het onderhavige systeem tamelijk ongevoelig is voor storende signalen.

In het bijzonder blijkt dat het onderhavige systeem altijd in vergrendeling blijft zolang het vermogen van een storende draaggolf aan 15 de ingang van de ontvanger kleiner is dan het ontvangen vermogen van het gewenste signaal, zelfs voor storende draaggolven met een frequentie nabij de draaggolffrequentie fc = 70 MHz van het gewenste signaal.

Tot dusver is het systeem voor de gecombineerde terugwinning van de draaggolf en de klok beschreven voor het geval van 20 een BPSK-signaal. De onderhavige uitvinding is echter niet beperkt tot BPSK-signalen, aangezien dezelfde principes ook kunnen worden toegepast voor andere typen PSK-signalen. Bij wijze van voorbeeld zal dit worden toegelicht in het geval van een ontvanger voor quaternaire PSK-signalen (aangeduid als QPSK-signalen of als vier-fase signalen).

25 Deze toelichting kan kort blijven omdat een ontvanger voor een QPSK-signaal in principe slechts daarin van de in figuur 1 getoonde ontvanger voor een BPSK-signaal verschilt dat demodulator DEM en remodulator REM in figuur 1 vervangen zijn door hun op zich bekende QPSK-equivalenten op de wijze zoals getoond in Fig. 11.8 op blz. 223 van 30 het boek van Gardner. Wat betreft demodulator DEM houdt dit in dat de uitgang van filter BPF^ wordt verbonden met een tweede vermenigvuldiger waaraan de kwadratuur-fase draaggolf (die reeds beschikbaar is aan de ingang van faseverschuiver PS) wordt toegevoerd en waarvan met behulp van een tweede laagdoorlaatfilter (dat overeenkomt 35 met laagdoorlaatfilter LPF) een tweede gedemoduleerd datasignaal wordt ontleend dat inherent is aan de kwadratuur-component van het QPSK-signaal. Dit tweede datasignaal wordt vervolgens geregenereerd wat 8701290 * PHN 12.144 16 betreft amplitude en tijdstip van optreden met behulp van een tweede harde-begrenzer (die overeenkomt met harde-begrenzer HL) en een tweede dataregenerator (die daarin van dataregenerator DR verschilt dat de laatste D-flipflop in de cascade kan vervallen en alleen de uitgang van 5 de derde D-flipflop benut wordt), welke tweede dataregenerator eveneens wordt bestuurd door tempeereenheid TU (afgezien van kloksignaal dat thans overbodig is). Wat betreft remodulator REM houdt dit in dat de uitgang van vertragingselement D1 eveneens wordt verbonden met een tweede vermenigvuldiger voor het remoduleren van het QPSK-signaal 10 overeenkomstig het geregenereerde tweede datasignaal voor het opwekken van een tweede draaggolfcomponent die via een -90° faseverschuiver met behulp van een sommator wordt opgeteld bij de draaggolfcomponent die reeds was verkregen aan de uitgang van de eerste vermenigvuldiger, waarna het uitgangssignaal van deze sommator wordt toegevoerd aan 15 banddoorlaatfilter BPF2. De draaggolflus PLL en de klokvolgeenheid CTÜ behoeven echter niet gewijzigd te worden.

Verder wordt nog gewezen op de mogelijkheid om binnen het kader van de uitvinding de klokvolgeenheid CTÜ op andere dan de in figuur 1 getoonde wijze uit te voeren. Uit de in het voorgaande gegeven 20 toelichting van klokeenheid CTU in figuur 1 blijkt bijvoorbeeld dat de operaties die uitgevoerd worden in coherente demodulator CD enerzijds en in de combinatie van remodulatoren ML, ME en sommator AD anderzijds, in volgorde verwisseld kunnen worden, zodat eerst de coherente demodulatie en daarna de vermenigvuldiging met de vertraagde en 25 vervroegde versies aE(t) en aE(t) van geregenereerd datasignaal aR(t) wordt uitgevoerd. Uiteraard dient banddoorlaatfilter BPF3 dan vervangen te worden door een laagdoorlaatfilter dat is aangesloten op de uitgang van de verplaatste demodulator CD en dient rekening te worden gehouden met de door een dergelijk filter veroorzaakte vertraging 30 bij de keuze van het aansluitpunt van klokeenheid CTU voor het ontvangen van het gefilterde en eventueel vertraagde BPSK-signaal aan de uitgang van banddoorlaatfilter BPF^. Deze en andere maatregelen die nodig zijn voor het handhaven van de gewenste tijd- en faserelaties tussen de verschillende signalen in de ontvanger van figuur 1 liggen geheeel 35 binnen het bereik van de deskundige en behoeven na kennisneming van de voorgaande beschrijving geen verdere toelichting. Wel wordt nog vermeld dat uit een oogpunt van praktische implementatie de voorkeur wordt 8701290 PHN 12.144 17 gegeven aan de in figuur 1 getoonde uitvoering van klokvolgeenheid CTÜ.

Tenslotte wordt nog de Mogelijkheid vermeld om in het geval van QPSK-signalen de remodulatoren en eveneens in te richten voor QPSK-remodulatie op de wijze die reeds is aangegeven voor 5 remodulator REM. Na de reeds gegeven uitvoerige beschouwingen behoeft ook deze mogelijkheid geen nadere toelichting.

87 012.90

Claims

1. Ontvanger voor een modulaatband signaal dat is opgewekt door faseverschuivingsmodulatie van een draaggolf overeenkomstig een datasignaal van gegeven symboolfrequentie 1/T, welke ontvanger is voorzien van: 5. demodulatiemiddelen voor het demoduleren van het ontvangen modulaatband signaal met behulp van een lokale draaggolf en het daardoor opwekken van een gedemoduleerd datasignaal; regeneratiemiddelen voor het regenereren van het gedemoduleerde datasignaal met behulp van een lokale klok en het daardoor 10 opwekken van een geregenereerd datasignaal; draaggolfterugwinmiddelen met een in een fasevergrendelde lus opgenomen lokale draaggolfgenerator die is aangesloten op de demodulatiemiddelen, en met een remodulator voor het faseverschuivingsmoduleren van het ontvangen modulaatband signaal 15 overeenkomstig het geregenereerde datasignaal en het daardoor opwekken van een draaggolfcomponent als ingangssignaal voor de fasevergrendelde lus; en een lokale klokgenerator die is aangesloten op de regeneratiemiddelen; 20 met het kenmerk dat; de regeneratiemiddelen zijn ingericht voor het tevens opwekken van een vertraagde en een vervroegde versie van het geregenereerde datasignaal met respectievelijk een vertraging en een vervroeging ten opzichte van het geregenereerde datasignaal over een ?ς ^jdinterval Δ kleiner dan symboolinterval T; en de ontvanger tevens is voorzien van middelen die in responsie op het ontvangen modulaatband signaal en de lokale draaggolf een basisband regelsignaal voor de lokale klokgenerator opwekken, welk regelsignaal representatief is voor het verschil tussen de 30 correlatiefunctie van het aan het ontvangen modulaatband signaal inherente datasignaal met de vertraagde versie van het geregenereerde datasignaal en de correlatiefunctie van het aan het ontvangen modulaatband signaal inherente datasignaal met de vervroegde versie van het geregenereerde datasignaal, en welke 35 lokale klokgenerator in responsie op genoemd regelsignaal een zodanige lokale klok toevoert aan de regeneratiemiddelen dat het geregenereerde datasignaal synchroon is met het datasignaal dat 8701290 PHN 12.144 19 inherent is aan het aan de remodulator toegevoerde ontvangen modulaatband signaal.

2. Ontvanger volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde middelen voor het opwekken van een basisband regelsignaal zijn 5 voorzien van: een eerste remodulator voor het faseverschuivingsmoduleren van het ontvangen modulaatband signaal overeenkomstig de vertraagde versie van het geregenereerde datasignaal; een tweede remodulator voor het faseverschuivingsmoduleren van het 10 ontvangen modulaatband signaal overeenkomstig de vervroegde versie van het geregenereerde datatsignaal; een sommator die is aangesloten op de eerste en tweede remodulatoren voor het vormen van een verschilsignaal; een banddoorlaatfilter dat is aangesloten op de sommator voor het 15 selecteren van een draaggolfcomponent van het verschilsignaal; een demodulator die is aangesloten op het banddoorlaatfilter voor het coherent demoduleren van de geselecteerde draaggolfcomponent met behulp van de lokale draaggolf; en een laagdoorlaatfilter dat is aangesloten op de demodulator voor 20 het verkrijgen van het basisband regelsignaal voor de lokale klokgenerator. 8701290