WO1997001894A1 - Modulationsverfahren und -schaltungsanordnung zur übertragung von datensignalen - Google Patents

Modulationsverfahren und -schaltungsanordnung zur übertragung von datensignalen Download PDF

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Ralph Petersen Andress
Manfred Huberty
Thomas Stampe
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    • H04H20/00—Arrangements for broadcast or for distribution combined with broadcast
    • H04H20/28—Arrangements for simultaneous broadcast of plural pieces of information
    • H04H20/36—Arrangements for simultaneous broadcast of plural pieces of information for AM broadcasts

Definitions

  • the invention relates to a modulation method and a circuit arrangement for the transmission of data signals according to the preamble of claim 1 and of claim 6 and a receiver.
  • double sideband modulation is known.
  • the double sideband modulation can be found in the different areas of news channels, such as the difference signal of the stereo transmission, the RDS signal for the transmission of program-related additional information in FM radio broadcasting and the color information of the television transmission.
  • the carrier necessary for demodulating a DSB modulation is generated, for example, in the case of stereo transmission, in which the pilot frequency of 19 kHz is also transmitted to generate the 38 kHz carrier in the FM multiplex signal.
  • Other methods use the Costa's Loop to recover a DSB with identical sidebands.
  • An example is the RDS demodulator chip SAA6579T.
  • a general “problem with the transmission of radio messages of analog or digital type is the required bandwidth of the modulation product. That means that one has to strive internationally or nationally to make optimal use of the natural resource of the frequency band that can be used for“ messages ”.
  • the single sideband (SSB) method is used to reduce the bandwidth. It is based on the fact that with double sideband modulations, based on the fictitious RF carrier, two sidebands with the same message content arise. Only one sideband is necessary to recover the message content.
  • the invention is therefore based on the object of developing a method and a circuit arrangement which largely avoid the disadvantages mentioned, can be implemented quickly and inexpensively, do not require the development of new chips and enable immediate use in terminal devices.
  • This object is achieved with the aid of a single-sideband transmission of RDS modulation (SSB-RDS) by the features of claim 1 and claim 6 for the circuit arrangement.
  • SSB-RDS single-sideband transmission of RDS modulation
  • a typical representative of the application of double sideband modulation (DSB), more precisely quadrature double sideband modulation (QDSB), is the RDS signal according to FIG. 1.
  • the filter method for example, the lower or the upper sideband of the RDS signal can be generated.
  • the digital single-sideband modulation obtained in this way can be transposed into the desired transmission spectrum by mixing with an appropriate oscillator frequency, as can be seen from FIG. 2.
  • the transmission of a sideband with or without a residual carrier depends on the demodulation method used. Both variants are permissible (see Fig. 1). This means that only half of the bandwidth is occupied compared to an RDS-DSB (QDSB) transmission. In addition, the efficiency of the transmitter system is improved and energy and operating costs can be reduced with the same coverage range. The reduction in bandwidth allows a smaller selection bandwidth on the receiving side and thus reduces the likelihood of interference signals.
  • Fig. 2 is a schematic diagram for implementing the method according to the invention.
  • Fig. 3 is a schematic diagram of a receiver.
  • Fig. 1 the RDS signal is shown with its sidebands.
  • RDS QDSB signal for the long-wave application is shown in FIG. 2.
  • Any RDS coder known from VHF RDS can generally be used as the supplier of the RDS QDSB signal with carrier (unmodulated ARI).
  • the lower (LSB + carrier) or the upper (USB + carrier) - sideband in the IF position is available depending on the selected oscillator frequency of the first frequency conversion.
  • the second frequency conversion is used to transpose the obtained SSB of the RDS signal with residual carrier (carrier reduced to maximum of the sideband amplitudes) to the desired transmission frequency.
  • the signal is amplified to the corresponding transmission power.
  • the way in which the SSB signal is generated (filter method, phase method or synthetic generation) is irrelevant.
  • the application for higher quality modulation types that can be traced back to a DSB cannot be excluded.
  • the use of the method is not tied to the long-wave range.
  • demodulation is possible synchronously (coherent demodulator with frequency and phase correct subcarrier) as well as asynchronous (without subcarrier).
  • synchronous demodulation it is necessary to transmit a residual carrier which is quadrature to the sideband on the transmission side.
  • the demodulation takes place via synchronous modulators, the transmitted residual carrier being used for synchronous demodulation. Demodulation thus takes place directly in the baseband. If asynchronous demodulation takes place, it must be ensured on the receiving side that the non-existing carrier reference of the side band is ensured by the demodulator.
  • the single-sideband transmission of the RDS signal has been tested on long wave with the frequency 123.7 kHz, a circuit described in FIG. 2 described below having proven to be technically feasible and advantageous.
  • an RDS coder is used as the data source, which can provide QDSB modulation with or without a carrier frequency.
  • the RDS-SSB signal with residual carrier is generated using the filter method and converted to the transmission frequency by mixing.
  • the ARI carrier which can be switched on at the RDS coder can thus be used as the residual carrier.
  • a known one is used to receive the SSB-RDS signal All-band receiver with synchronous demodulator used.
  • the further processing of the RDS baseband (biphase signal) does not result in any technical problems.
  • the application of the method is not tied to the long wave range.
  • FIG. 3 shows a receiver for the data signals transmitted with the method according to the invention.
  • the high-frequency signals are transmitted from the antenna
  • the amplified high-frequency signal is then converted into the IF range in a mixer stage and passed through a bandpass filter with a bandwidth of 2.4 kHz.
  • SAA6579T type RDS demodulator each with an output for a clock signal and a data signal.

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Abstract

Als Datenquelle (zur Einseitenband-Aussendung des RDS-Signales (SSB-RDS) auf Langwelle) dient ein RDS-Coder, welcher eine QDSB-Modulation mit oder auch ohne Trägerfrequenz zur Verfügung stellen kann. Das RDS-SSB-Signal mit Restträger wird mit Hilfe der Filtermethode erzeugt und durch Mischung auf die Sendefrequenz umgesetzt. Als Restträger kann somit der am RDS-Coder einschaltbare ARI-Träger verwendet werden. Zum Empfang des SSB-RDS-Signales wird ein bekannter Allbandempfänger mit Synchrondemodulator verwendet. Die Weiterverarbeitung des RDS-Basisbandes (Biphase-Signals) ist ohne weiteres möglich.

Description

B E S C H R E I B U N G
MODULATIONSVERFAHREN UND -SCHALTUNGSANORDNUNG ZUR ÜBERTRAGUNG VON DATENSIGNALEN
Die Erfindung betrifft ein Modulationsverfahren und eine -schaltungsanordnung zur Übertragung von Datensignalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 6 und einen Empfänger.
Grundsätzlich ist zum Beispiel die Doppelseitenband- Modulation bekannt. Als Unterträgerverfahren findet man die Doppelseitenband-Modulation in den verschiedenen Bereichen von Nachrichtenkanälen wieder, wie zum Beispiel das Differenzsignal der Stereoübertragung, das RDS-Signal zur Übertragung programmbezogener Zusatzinformationen im UKW- Hör-Rundfunk und die Farbinformationen der Fernsehübertragung.
Diese Doppelseitenband-Modulationen sind speziell in Nachrichtenkanäle integriert worden, bei welchen die Bandbreite des Signals eine untergeordnete Rolle spielt.
Den zur Demodulation einer DSB-Modulation notwendigen Träger erzeugt man zum Beispiel bei der Stereoübertragung, in dem die Pilotfrequenz von 19 kHz zur Generierung des 38 kHz Trägers im FM-Multiplexsignal mit übertragen wird. Andere Verfahren benutzen zur Trägerrückgewinnung einer DSB mit identischen Seitenbändern die Costa's Loop. Als Beispiel sei der RDS Demodulatorchip SAA6579T genannt.
In unserem Fall, der gewollten Übertragung des RDS-Signales (QDSB mit 2 identischen Seitenbändern) im Langwellenbereich sind jedoch in Bezug auf die Bandbreite (RDS QDSB = 4,8 kHz) Grenzen gesetzt. Eine Ausstrahlung der RDS QDSB mit dieser Bandbreite im Lang- und Längstwellenbereich (9...148,5 kHz) würde zu Nachbarkanalstörungen bereits koordinierter Datensender führen.
In Anbetracht dieser Tatsache und den damit verbundenen Nachteilen einer DSB Aussendung wie,
1. Doppelte Bandbreite des RF-Signales
2. Aufteilung der Sendeenergie zu gleichen Teilen in die Seitenbänder, wobei nur eines benötigt wird
3. Die doppelte Selektionsbandbreite für die benötigten Empfänger erhöht die Wahrscheinlichkeit des Eindringens von Störsignalen.
Ein generelles„Problem bei der Übertragung von Funknachrichten analoger bzw. digitaler Art stellt die benötigte Bandbreite des Modultionsproduktes dar. Das heißt, man muß international bzw. national bestrebt sein, die natürliche Resource des für "Nachrichten" nutzbaren Frequenzbandes optimal zu nutzen.
Für analoge Modulationsverfahren wird zur Reduzierung der Bandbreite das Einseitenbandverfahren (Single Sideband = SSB) angewandt. Es beruht auf der Tatsache, daß bei Doppelseitenbandmodulationen, bezogen auf den fiktiven RF- Träger zwei Seitenbänder mit gleichem Nachrichteninhalt entstehen. Zur Rückgewinnung des Nachrichteninhaltes aber nur ein Seitenband notwendig ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die die genannten Nachteile weitgehend vermeiden, schnell und kostengünstig realisierbar sind, keiner Entwicklung neuer Chips bedürfen und einen sofortigen Einsatz in Endgeräten ermöglichen. Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Einseitenband- Übertragung der RDS Modulation (SSB-RDS) durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 6 für die Schaltungsanordnung gelöst.
Weitere Merkmale sind im jeweils kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 2 bis 5 charakterisiert.
Der Vorteil bei der erfindungsgemäßen Lösung besteht unter anderem darin, daß die analoge Einseitenbandmodulation (SSB) sich auch auf die digitale Doppelseitenbandmodulation (DSB = 2PSK) übertragen läßt. Ein typischer Vertreter der Anwendung der Doppelseitenband-Modulation (DSB) , genauer Quadratur Doppelseitenband-Modulation (QDSB) ist das RDS- Signal gemäß Fig. 1.
Durch Anwendung zum Beispiel der Filtermethode läßt sich wahlweise das untere oder das obere Seitenband des RDS Signales erzeugen. Die so gewonnene digitale Einseitenband- Modulation läßt sich durch Mischung mit einer entsprechenden Oszillatorfrequenz in das gewünschte Sendespektrum transponieren wie aus Fig. 2 zu ersehen ist.
Die Aussendung eines Seitenbandes mit bzw. ohne Restträger steht in Abhängigkeit vom verwendeten Demodulations- verfahren. Beide Varianten sind zulässig (siehe Fig. 1). Daraus ergibt sich, daß nur die Hälfte der Bandbreite gegenüber einer RDS-DSB (QDSB) Aussendung belegt wird. Außerdem wird der Wirkungsgrad der Sendeanlage verbessert und damit können bei gleicher Versorgungsreichweite Energie und Betriebskosten gesenkt werden. Die Verringerung der Bandbreite läßt auf der Empfangsseite eine geringere Selektionsbandbreite zu und verringert somit die Wahrscheinlichkeit des Eindringens von Störsignalen.
Ein vorteilhafter Empfänger ist in den Patentansprüchen 7 bis 9 charakterisiert. Die Erfindung wird nun im nachfolgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Einseitenband-Übertragung der RDS-Modulation,
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines Empfängers.
In der Beschreibung und in den Figuren werden folgende Abkürzungen verwendet:
ARI Autofahrer Rundfunkinformation
RDS Radio Daten System
SSB Einseitenband (single side band)
DSB Doppelseitenband (double side band)
QDSB Quadratur-Doppelseitenband-Modulation
USB oberes Seitenband (upper side band)
LSB unteres Seitenband (lower side band)
PSK Phasen-Umtastung (phase shift keying)
ZF Zwischenfrequenz
Die aufgezeigten Schwierigkeiten, das RDS Signal auf Langwelle auszustrahlen, werden dadurch überwunden, in dem aus der analogen Übertragungstechnik bekannte SSB-Verfahren auf die RDS QDSB-Modulation übertragen werden. Im Unterschied zur analogen SSB-Modulation ist zur Demodulation ein frequenz- und phasenrichtiger Träger zur Verfügung zu stellen.
In Fig. 1 ist das RDS-Signal mit seinen Seitenbändern dargestellt. Der unterbrochen gezeichnete Träger bei Ωo = 57 kHz kennzeichnet den vom ARI-System bekannten unmodulierten ARI-Träger. Dieser steht in Quadratur zur RDS-Phase und kann somit zur Demodulation eines RDS QDSB- Seitenbandes genutzt werden.
Die Aufbereitung des RDS QDSB-Signales für die Langwellenanwendung wird in Fig. 2 gezeigt. Als Lieferant des RDS QDSB-Signales mit Täger (unmoduliert ARI) läßt sich in der Regel jeder von UKW-RDS bekannte RDS-Coder verwenden.
Zur Erzeugung des in Fig. 1 unterbrochen umrahmten oberen Seitenbandes (USB) mit Träger wird hier die Filtermethode angewendet. Das heißt, im zweiten Schritt erfolgt eine Frequenzumsetzung des RDS QDSB-Signales (57 kHz) in die Filterbandbreite (Ωo-Ωo+ωo = 2,4 kHz) des SSB-Filters.
Am Ausgang des Filters, steht somit in Abhängigkeit von der gewählten Oszillatorfrequenz der ersten Frequenzumsetzung das untere (LSB+Träger) oder das obere (USB+Träger)- Seitenband in der ZF-Lage zur Verfügung. Die zweite Frequenzumsetzung dient dazu, das gewonnene SSB des RDS- Signales mit Restträger (Träger reduziert auf Maximum der Seitenbandamplituden) auf die gewünschte Sendefrequenz zu transponieren. In der nachfolgenden Stufe wird das Signal auf die entsprechende Sendeleistung verstärkt. Auf welche Art und Weise das SSB-Signal erzeugt wird (Filtermethode, Phasenmethode bzw. Synthetische Generierung) ist ohne Belang. Die Anwendung für höherwertigere Modulationsarten, welche auf eine DSB zurückzuführen sind, ist nicht auszuschließen. Die Verwendung des Verfahrens ist nicht an den Langwellenbereich gebunden.
Im nachfolgenden wird die Demodulation der SSB-RDS Aussendung beschrieben. Generell ist die Demodulation synchron (kohärender Demodulator mit frequenz- und phasenrichtigen Hilfsträger) als auch asynchron (ohne Hilfsträger) möglich. Bei Anwendung einer Art der synchronen Demodulation ist es notwendig, einen in Quadratur zum Seitenband stehenden Restträger auf der Sendeseite mit zu übertragen. Die Demodulation erfolgt über Synchronmodulatoren, wobei der übertragene Restträger zur Synchrondemodulation verwendet wird. Die Demodulation erfolgt damit direkt ins Basisband. Wird asynchron demoduliert, muß auf der Empfangsseite dafür gesorgt werden, daß der nicht vorhandene Trägerbezug des Seitenbandes durch den Demodulator sichergestellt wird. Weiterhin ist es möglich, die Demodulation des Signals durch Vorhandensein seiner typischen spektralen Frequenzanteile entsprechend von digital 0 oder 1 zu analysieren und ^daraus den Datenstrom zu generieren, in dem das Seitenband asynchron demoduliert wird, einschließlich der Demodulation durch Analyse der spektralen Frequenzanteile des Modulationsproduktes. Das heißt, zur Demodulation ist man nicht an neu zu entwickelnde Chips gebunden, da das Demodulationsprodukt in jedem Fall, sofort mit handelsüblichen digitalen Schaltkreisen weiter verarbeitbar ist.
Die Einseitenband-Aussendung des RDS Signales (SSB-RDS) ist auf Langwelle mit der Frequenz 123,7 kHz erprobt worden, wobei eine nachfolgend beschriebene Schaltung nach Fig. 2 sich als technisch realisierbar und vorteilhaft erwiesen hat. Als Datenquelle wird in einem solchen Fall ein RDS- Coder verwendet, welcher eine QDSB-Modulation mit oder auch ohne Trägerfrequenz zur Verfügung stellen kann. Das RDS- SSB-Signal mit Restträger wird mit Hilfe der Filtermethode erzeugt und durch Mischung auf die Sendefreσuenz umgesetzt. Als Resttrager kann somit der am RDS-Coder einschaltbare ARI-Träger verwendet werden. Zum Empfang des SSB-RDS- Signales wird ein bekannter Allbandempfanger mit Synchrondemodulator verwendet. Die Weiterverarbeitung des RDS-Basisbandes (Biphase-Signals) ergibt keine technischen Probleme. Die Anwendung des Verfahrens ist nicht an den Langwellenbereich gebunden.
Fig. 3 zeigt einen Empfänger für die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren übertragenen Datensignale. Von der Antenne werden die hochfrequenten Signale einem
Eingangsverstärker zugeführt. Die Frequenz fe + f Δr wird von einem Oszillator erzeugt, wobei f die Frequenz des im hochfrequenten Signal enthaltenen (Rest-)Trägers und f„F = 57 kHz ist. In einer Mischstufe wird dann das verstärkte hochfrequente Signal in den ZF-Bereich umgesetzt und über ein Bandfilter mit einer Bandbreite von 2,4 kHz geleitet. An diesen schließt sich ein käuflich erhältlicher RDS-Demodulator vom Typ SAA6579T an, der je einen Ausgang für ein Taktsignal und ein Datensignal aufweist. Diese Signale können nach den im Radio-Daten-System festgelegten Regeln decodiert und dann zur Anzeige gebracht werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Modulationsverfahren zur Übertragung von Datensignalen im Langwellenbereich, dadurch gekennzeichnet,
daß aus digitalen Modulationen, wie Doppelseitenband- (DSB = 2PSK) bzw. Quadraturdoppelseitenbandmodulation (QDSB) durch Filter- bzw. Phasenmethode oder synthetische Generierung ein Einseitenband (DSB) erzeugt wird, das anschließend durch Mischung mit einer Oszillatorfrequenz in das jeweilige Sendespektrum bzw. die -frequenz umgesetzt und übertragen wird.
2. Modulationsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Datenquelle ein Radio Data System (RDS)- Codierer dient, der eine Quadratur-Doppelseitenband- Modulation (QDSB) mit oder ohne Trägerfrequenz vornimmt, daß das RDS-SSB-Signal mit Restträger durch Filtern gewonnen und durch Mischen auf die Sendefrequenz umgesetzt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß wahlweise das untere oder obere Seitenband des RDS-Signals durch Filter erzeugt wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der übertragene Restträger zur Synchron- demodulation verwendet wird.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Seitenband asynchron demoduliert wird, insbesondere durch Analyse der spektralen Frequenzanteile des Modulationsproduktes.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß ein RDS-Coder am Ausgang mit einem Frequenzumsetzer verbunden ist, der seinerseits am Ausgang mit einem SSB-Filter verbunden ist, dessen Ausgang mit einem Frequenzumsetzer (RF-Signal) verbunden ...ist und dessen Ausgang mit einem Verstärker (RF-Verstärker) verbunden ist.
7. Empfänger zum Empfang von nach einem der Ansprüche 1 bis 5 übertragenen Datensignalen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Umsetzung des im Sendespektrum empfangenen Signals in die Frequenzlage des modulierten digitalen Datensignals vorgesehen sind, an deren Ausgang ein Bandpaß angeschlossen ist, und daß der Bandpaß mit einem Demodulator verbunden ist.
8. Empfänger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandpaß eine Bandbreite von 2,4 kHz aufweist und die Frequenz von 57 kHz einschließt.
9. Empfänger nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulator ein an sich bekannter RDS-Demodulator ist.
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