WO1997041671A2 - Verfahren zur digitalen phasenschritt-modulation - Google Patents

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WO1997041671A2
WO1997041671A2 PCT/DE1997/000875 DE9700875W WO9741671A2 WO 1997041671 A2 WO1997041671 A2 WO 1997041671A2 DE 9700875 W DE9700875 W DE 9700875W WO 9741671 A2 WO9741671 A2 WO 9741671A2
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Gerhard Ritter
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    • H04L27/2017—Modulator circuits; Transmitter circuits for continuous phase modulation in which the phase change within each symbol period is constrained in which the phase changes are non-linear, e.g. generalized and Gaussian minimum shift keying, tamed frequency modulation
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    • H04L27/2014—Modulator circuits; Transmitter circuits for continuous phase modulation in which the phase change within each symbol period is constrained in which the phase changes in a piecewise linear manner during each symbol period, e.g. minimum shift keying, fast frequency shift keying

Definitions

  • the invention relates to a method for digital phase step modulation according to the preamble of patent claim 1 and a system for carrying it out.
  • Digital phase shift keying (PSK) is a modulation of a carrier, in which, with the amplitude and frequency of the modulation carrier kept constant, each characteristic state of a discrete signal corresponds to a specific phase position of the modulation carrier. The transition from one phase position to the other can be a continuous or discontinuous change.
  • MSK modulation minimum shift keying
  • CPFSK modulation continuous phase frequency shift keying
  • the CPFSK modulation is an FSK (frequency shift keying) modulation with a phase-continuous transition between the frequencies.
  • the MSK modulation is a CPFSK modulation with a modulation index of 0.5, which results in a compromise between interference immunity and bandwidth requirement in the case of orthogonal signals and a minimal frequency swing.
  • the MSK modulation sometimes requires an unacceptably high transmission bandwidth or results in a too low data transmission rate, which is also due to the smoothed variant e.g. the known GMSK modulation (Gaussian Minimum Shift Keying) can often not be improved to a sufficient degree.
  • GMSK modulation is used, for example, in mobile radio systems.
  • a mobile radio system is that from M. Mouly, M.-B. Pautet, "The GSM System for Mobile Communications", 1992, in particular pp. 249-259, known GSM mobile radio system.
  • the object of the invention is to provide an improved digital phase-step modulation method which, in comparison with known forms of modulation of this type, manages with a significantly reduced transmission bandwidth of the modulated carrier, permits an increased data transmission rate or shows an improved signal-to-noise ratio.
  • a system for carrying out the method according to the invention is to be created.
  • this object is achieved in a method according to the preamble of claim 1 by the features in the characterizing part.
  • Advantageous and expedient developments of the method according to the invention are specified in the subclaims.
  • Table 3 least-spaced bit sequences, and the figure shows two phase increments over a bit clock for comparison between the known MSK modulation and a modified MSK modulation operating according to the invention.
  • phase step modulation In digital phase step modulation according to the invention, a discrete phase step is carried out on a modulation carrier for each symbol of a signal to be transmitted. Furthermore, the phase steps are each dependent on the symbol currently to be transmitted and on one or more of the symbols previously transmitted.
  • the discrete phase steps are advantageously subjected to filtering or pulse shaping at their transitions before the actual phase modulation of the modulation carrier is carried out.
  • a Gaussian or sinusoidal shape of the phase transition is preferably used.
  • the amplitude of the modulation carrier is kept constant.
  • the steepness of a phase transition can also be selected.
  • the transition time for all phase transitions can be selected so that it is constant.
  • the maximum slope of the phase transition can be chosen so that it is constant. Depending on the current phase step, there are different transition times, but the same maximum instantaneous frequencies.
  • the symbols consist of individual bits to be transmitted, but for higher-level modulations they consist of two or more bits to be transmitted.
  • the depth of consideration of symbols in the past can be selected differently, advantageously according to the transmission conditions (interference, channel conditions) and transmission requirements (bandwidth, data rate).
  • the phases to be carried out steps can also be made dependent on the current symbol position in a data signal stream.
  • Such modulations can be represented and also implemented by tables for the current phase steps and phase values, which are used for a symbol of a signal to be transmitted as a function of the symbols previously transmitted in time.
  • Table 1 shows an example of 4-valued symbols taking into account a preceding symbol. In the case assumed in the example, the phase step table 1 therefore contains 16 values.
  • the symbols are labeled SO to S3 and the possible phase steps are labeled PO to P15.
  • phase steps can be chosen arbitrarily. However, in order to achieve certain desired effects, only a few different phase steps are necessary, or the phase steps can follow simple laws.
  • a particularly advantageous exemplary embodiment of a digital phase step modulation form designed according to the invention is described below in comparison to the known MSK modulation.
  • the two phase steps + 90 ° and -90 ° are used and the previous symbols are not taken into account.
  • the individual phase steps are filtered linearly, ie all transitions from one phase state to another take place linearly within a bit period.
  • the well-known GMSK ' Modulation form emerges from this modulation if the linear transitions of the MSK modulation are replaced by Gaussian-filtered transitions.
  • Table 2 shows the phase steps in the known MSK modulation and in an MSK modulation form designed according to the invention, which is referred to below as modified MSK modulation, taking into account a previous bit on the basis of a digital phase step Modulation compared.
  • the modified modulation has a significantly reduced bandwidth requirement of the modulated carrier.
  • phase step of 0 ° is always used when the bit currently to be transmitted and the bit sent immediately before are different, i.e. Bit sequences 0-1 or 1-0 are present. However, if the two successive bits are the same, i.e. if bit sequences 0-0 or 1-1 are present, then the same phase steps as in the known MSK modulation are used.
  • the highest effective modulation frequency in both cases is considered below.
  • the highest modulation frequency arises with 0-0-1-1 bit sequences. The highest modulation frequency is therefore only a quarter of the bit frequency.
  • the maximum phase shift is also ⁇ 45 °.
  • the modulation is also carried out using a trapezoidal modulation signal which has considerably less harmonics than a triangular signal of the MSK modulation used for comparison.
  • Modulation according to the invention thus leads to a considerable reduction in the modulation bandwidth requirement.
  • changes in direction in the phase always take place via a modulation step with a constant phase.
  • This coding thus represents a certain pre-filtering of the modulation signal.
  • the GMSK modulation which is used, for example, in the GSM (Global System for Mobile Communication) mobile radio system, results from the known MSK modulation by means of Gaussian filtering, The above statements also apply, of course, to a GMSK modulation modified according to the invention.
  • Table 3 is based on the known MSK modulation and the MSK modulation modified according to the invention "The trellis decoding shows the sequences with the smallest distances.
  • the length of the sequence for the MSK modulation modified according to the invention is one bit larger than the length of the sequence for the known MSK modulation. If errors occur, they occur according to Table 3 in both cases as double errors in neighboring bits.
  • the modulation method according to the invention allows a significant reduction in the spectral bandwidth requirement of a signal and thus a reduction in the bandwidth of a transmission channel or an increase in the data rate with the same bandwidth of the transmission channel.
  • the MSK modulation has been selected as an example above.
  • the conditions also apply in a completely analogous manner to the GMSK modulation as used, for example, in the GSM mobile radio system. Since mobile radio systems are practically always spectrally limited, effective modulation is of considerable importance. Because of its additional spectral filtering, the GMSK modulation is therefore of considerably greater importance than the MSK modulation, which can only be used sensibly if moderate demands are placed on the spectral efficiency.
  • phase step modulation method according to the invention in a system can be carried out on the transmission side in a manner similar to that in currently known systems.
  • the courses of the phase or of the two quadrature components ie the I component and the Q component, are expediently stored in a table.
  • the address for this table is determined by the bits sent so far and with the outputs of one formed with a multiple of the bit clock operated counter. This defines the fine course of the phase.
  • the basic phase is then usually derived from the previous phase steps and added to it.
  • phase step modulation method according to the invention can generally reduce the spectral bandwidth requirement and increase the length of the minimum sequences.
  • Use of the phase step modulation method according to the invention is particularly advantageous in mobile radio systems, such as the GSM mobile radio system.
  • higher-level modulations which work according to the principle of the invention are of particular interest, in which two or more bits form a symbol of the signal to be transmitted via the carrier in order to enable higher-rate signal transmissions.
  • a data rate to be transmitted of 16 kbit / s is used using a rate 1/2 convolution coding for the so-called “fill rate” channel and a data rate of 8 kbit / s for proposed the so-called "half-rate” channel of the mobile radio system.
  • a rate 1/2 convolution coding for the so-called “fill rate” channel
  • a data rate of 8 kbit / s for proposed the so-called "half-rate” channel of the mobile radio system.
  • an increase in the "constraint length" of the convolutional coding compared to the previously introduced GSM system is proposed.
  • phase step modulation designed in accordance with the invention and the further developments described permit data transmissions at a rate of 14.4 and 16 kbit / s, which represents a considerable improvement over the rate of 9.6 kbit / s that was previously achievable with GSM.
  • "Half-rate" channels can achieve a much better quality with 8 kbit / s than with partially protected 6.5 kbit / s with the current GSM mobile radio system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur digitalen Phasenschritt-Modulation eines Modulationsträgers, bei denen jeweils für jedes zu übertragende digitale Symbol eines Signals ein diskreter Phasenschritt bei konstant gehaltener Amplitude durchgeführt wird und die vorzunehmenden Phasenschritte des Modulationsträgers jeweils sowohl vom aktuell zu übertragenden Symbol als auch von einem oder mehreren der vorher übertragenen Symbole abhängig sind. Das Verfahren und das System nach der Erfindung sind beispielsweise bei der Funkübertragung, insbesondere beim Mobilfunk einsetzbar.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR DIGITALEN PHASENSCHRITT-MODULATION
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur digitalen Phasenschritt-Modulation nach dem Oberbegriff des Patentan¬ spruchs l und ein System zu dessen Durchführung.
Es sind digitale Phasenumtast-Modulationen bekannt, bei¬ spielsweise in Form einer digitalen Phasenumtastung (PSK = Phase Shift Keying) . Bei der digitaler Phasenumtastung (PSK) handelt es sich um eine Modulation eines Trägers, bei wel¬ cher bei konstant gehaltener Amplitude und Frequenz des Modu- lationsträgers jedem Kennzustand eines diskreten Signals eine bestimmte Phasenlage des Modulationsträgers entspricht. Der Übergang von einer Phasenlage zur anderen kann eine konti¬ nuierliche oder diskontinuierliche Änderung sein. Ferner ist die MSK-Modulation (Minimum Shift Keying) bekannt, die eine spezielle Form der CPFSK-Modulation (Continuous Phase Fre¬ quency Shift Keying) ist. Bei der CPFSK-Modulation handelt es sich um eine FSK- (Frequenzumtast-) -Modulation mit phasenkon¬ tinuierlichem Übergang zwischen den Frequenzen.
Die MSK-Modulation ist eine CPFSK-Modulation mit einem Modu¬ lationsindex von 0,5, die bei orthogonalen Signalen und mini¬ malem Frequenzhub einen Kompromiß zwischen Störfestigkeit und Bandbreitenbedarf ergibt. Die MSK-Modulation erfordert aller¬ dings eine manchmal nicht annehmbar hohe Übertragungsband- breite oder ergibt eine zu geringe Datenübertragungsrate, was auch durch die geglättete Variante z.B. der bekannten GMSK- Modulation (Gaussian Minimum Shift Keying) oft nicht in aus¬ reichendem Maße verbessert werden kann.
Die GMSK-Modulation wird beispielsweise in Mobilfunksystemen eingesetzt. Ein solches Mobilfunksystem ist das aus M. Mouly, M.-B. Pautet, „The GSM System for Mobile Communications", 1992, insbesondere S. 249-259, bekannte GSM-Mobilfunksystem.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes digitales Pha- senschritt-Modulationsverfahren zu schaffen, das gegenüber bekannten derartigen Modulationsformen mit einer deutlich verringerten Übertragungsbandbreite des modulierten Trägers auskommt, eine erhöhte Datenübertragungsrate zuläßt oder aber ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis zeigt. Außerdem soll ein System zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Er¬ findung geschaffen werden.
Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil gelöst. Vorteilhafte und zweckmä¬ ßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 17 angegeben. Die folgenden Ansprüche enthal¬ ten zweckmäßige Weiterbildungen und Ausführungsmöglichkeiten dieses Systems auf der Sende- bzw. der Empfangsseite.
Nachfolgend werden das Verfahren und ein System gemäß der Er- findung durch Ausführungsbeispiele anhand von drei Tabellen und einer Figur erläutert. Es zeigen:
Tabelle 1 Phasenschritte beispielsweise bei 4-wertigen Sym¬ bolen unter Berücksichtigung eines zurückliegen- den Symbols,
Tabelle 2 Phasenschritte bei der bekannten MSK-Modulation und bei einer gemäß der Erfindung ausgebildeten MSK-Modulation,
Tabelle 3 Bit-Folgen mit den geringsten Abständen, und die Figur über einem Bittakt zwei Phasenschrittverläufe zum Vergleich zwischen der bekannten MSK-Modulation und einer nach der Erfindung arbeitenden modifi¬ zierten MSK-Modulation.
Bei der digitalen Phasenschritt-Modulation gemäß der Erfin¬ dung wird für jedes Symbol eines zu übertragenden Signals ein diskreter Phasenschritt bei einem Modulationsträger durchge¬ führt. Ferner sind die Phasenschritte jeweils von dem aktuell zu übertragenden Symbol und von einem oder mehreren der vor¬ her übertragenen Symbole abhängig.
Vorteilhafterweise werden die diskreten Phasenschritte an ih¬ ren Übergängen einer Filterung bzw. einer Pulsformung unter- worfen, bevor die tatsächliche Phasenmodulation des Modulati¬ onsträgers durchgeführt wird. Bevorzugt wird dabei eine gauß- bzw. sinusförmige Form des Phasenübergangs verwendet. Hierbei wird die Amplitude des Modulationsträgers konstant gehalten.
Neben der Form, die gauß- oder sinusförmig, aber auch nach einer Potenzfunktion oder linear ausgebildet sein kann, läßt sich auch die Steilheit eines Phasenübergangs wählen. Deswei¬ teren kann die Übergangszeit für alle Phasenübergänge so ge¬ wählt werden, daß sie konstant ist. Die maximale Steigung des Phasenübergangs läßt sich so wählen, daß sie konstant ist. In Abhängigkeit vom aktuellen Phasenschritt ergeben sich dann unterschiedliche Übergangszeiten, jedoch gleiche maximale Mo¬ mentanfrequenzen.
Im einfachsten Fall bestehen die Symbole aus einzelnen zu übertragenden Bits,- für höherstufige Modulationen bestehen sie hingegen aus zwei oder mehr zu übertragenden Bits. Die Berücksichtigungstiefe zeitlich zurückliegender Symbole kann dabei unterschiedlich gewählt werden, vorteilhafterweise ent- sprechend der Übertragungsbedingungen (Störungen, Kanalbedin¬ gungen) und Übertragungsanforderungen (Bandbreite, Datenra¬ te) . Als eine Weiterbildung können die durchzuführenden Pha- senschritte zusätzlich von der aktuellen Symbolposition in einem Datensignalstrom abhängig gemacht werden. Durch eine geeignete Wahl der vorstehend beschriebenen Parameter lassen sich deutliche Verbesserungen gegenüber bekannten digitalen Phasenschritt-Modulationsverfahren erzielen. Daher sind Ver¬ besserungen durch einen reduzierten Bandbreitenbedarf des mo¬ dulierten Trägers oder ein verbessertes Signal-Rausch-Ver¬ hältnis von besonderem Interesse.
Derartige Modulationen lassen sich durch Tabellen für die aktuellen Phasenschritte und Phasenwerte darstellen und auch realisieren, welche für ein zu übertragendes Symbol eines Si¬ gnals in Abhängigkeit von den zeitlich bereits vorher über¬ tragenen Symbolen verwendet werden. In Tabelle 1 ist ein Bei- spiel für 4-wertige Symbole unter Berücksichtigung eines vor¬ hergehenden Symbols dargestellt. In dem im Beispiel angenom¬ menen Fall enthält die Phasenschritt-Tabelle l also 16 Werte. In Tabelle 1 sind die Symbole mit SO bis S3 und die möglichen Phasenschritte mit PO bis P15 bezeichnet.
Wenn mehr als ein zurückliegendes Symbol berücksichtigt wer¬ den soll, ergibt sich eine entsprechende Erhöhung der Anzahl an möglichen Phasenschritten. Prinzipiell können die Phasen¬ schritte beliebig gewählt werden. Um aber bestimmte ge- wünschte Effekte zu erzielen, sind nur wenige unterschiedli¬ che Phasenschritte notwendig bzw. die Phasenschritte können einfachen Gesetzmäßigkeiten folgen.
Im folgenden wird ein besonders vorteilhaftes Ausfuhrungsbei- spiel einer gemäß der Erfindung ausgebildeten, digitalen Pha¬ senschritt-Modulationsform im Vergleich zur bekannten MSK- Modulation beschrieben. Bei der bekannten MSK-Modulationsform werden die beiden Phasenschritte +90° und -90° verwendet, und es werden die zurückliegenden Symbole nicht berücksichtigt. Die einzelnen Phasenschritte sind linear gefiltert, d.h. alle Übergänge von einem Phasenzustand zu einem anderen erfolgen linear innerhalb einer Bitdauer. Die ebenfalls bekannte GMSK- 'Modulationsform geht aus dieser Modulation hervor, wenn die linearen Übergänge der MSK-Modulation durch gaußgefilterte Übergänge ersetzt werden.
In Tabelle 2 sind die Phasenschritte bei der bekannten MSK- Modulation und bei einer gemäß der Erfindung ausgebildeten MSK-Modulationsform, die im folgenden als modifizierte MSK- Modulation bezeichnet wird, unter Berücksichtigung eines zu¬ rückliegenden Bits auf der Basis einer digitalen Phasen- schritt-Modulation gegenübergestellt. Die modifizierte Modu¬ lation weist einen deutlich reduzierten Bandbreitenbedarf deε modulierten Trägers auf.
Als wesentlicher Unterschied ist in Tabelle 2 zu erkennen, daß nunmehr neben den beiden bei der bekannten MSK-Modulation bereits vorhandenen Phasenschritten von +90° und -90° ein weiterer Phasenschritt von 0° vorgesehen ist.
Der Phasenschritt von 0° wird immer dann verwendet, wenn das aktuell zu übertragende und das unmittelbar vorher gesendete Bit unterschiedlich sind, d.h. Bitfolgen 0-1 oder 1-0 vorlie¬ gen. Sind die beiden aufeinanderfolgenden Bits jedoch gleich, d.h. liegen Bitfolgen 0-0 oder 1-1 vor, dann werden die glei¬ chen Phasenschritte wie bei der bekannten MSK-Modulation ver- wendet.
Zwischen den anhand von Tabelle 2 verglichenen Modulationen bestehen folgende Unterschiede: Für reine 0-Folgen oder reine l-Folgen bestehen keinerlei Unterschiede zwischen den beiden Modulationsarten. Bei der Übertragung von 0-1-Folgen hingegen erfolgt bei der bekannten MSK-Modulation ein ständiger Wech¬ sel des Vorzeichens des Phasenschritts. Bei der so bezeichne¬ ten modifizierten MSK-Modulation, d.h. bei dem erfindungsge¬ mäßen Modulationsverfahren, ändert sich die Phase hingegen nicht. Das bedeutet, daß für den Fall, bei welchem bei der bekannten MSK-Modulation die höchste Modulationsfrequenz und damit die größte Frequenzband-Verbreiterung des modulierten Trägers auftritt, bei der modifizierten MSK-Modulationsform effektiv überhaupt keine Modulation des Trägers erfolgt . Bei der An¬ wendung der erfindungsgemäßen modifizierten MSK-Modulation ergibt sich daher eine deutliche Reduktion der Breite des durch die Modulation belegten Frequenzspektrums.
Im folgenden wird zur Abschätzung dieser Reduzierung der spektralen Breite eines modulierten Signals die höchste ef¬ fektive Modulationsfrequenz in beiden Fällen betrachtet. Bei der bekannten MSK-Modulation tritt diese mit der halben Bit- Frequenz und zwar dreieckförmig mit einem maximalen Phaεenhub von ±45° auf. Bei der gemäß der Erfindung modifizierten MSK- Modulation entsteht die höchste Modulationsfrequenz bei 0-0-1-1-Bit-Folgen. Die höchste Modulationsfrequenz beträgt daher nur ein Viertel der Bit-Frequenz. Der maximale Phasen- hub beträgt ebenfalls ±45°. Die Modulation erfolgt ferner mit einem trapezförmigen Modulationssignal, welches erheblich we¬ niger Oberwellen ist als ein zum Vergleich herangezogenes Dreieckssignal der MSK-Modulation aufweist.
Eine Modulation gemäß der Erfindung führt also zu einer be- trächtlichen Reduzierung des Modulations-Bandbreitenbedarfs . Bei der modifizierten MSK-Modulation gemäß der Erfindung er¬ folgen Richtungsänderungen in der Phase stets über einen Mo¬ dulationsschritt mit konstanter Phase. Diese Codierung stellt somit eine gewisse Vorfilterung des Modulationssignals dar. Da die GMSK-Modulation, die beispielsweise im GSM (Global Sy¬ stem for Mobile Communication) -Mobilfunksystem verwendet wird, aus der bekannten MSK-Modulation durch eine Gauß-Fil¬ terung hervorgeht, gelten die vorstehenden Ausführungen na¬ türlich auch für eine gemäß der Erfindung modifizierte GMSK- Modulation. Aus dem in der Figur dargestellten Beispiel von zwei über ei¬ nem Bit-Takt-Verlauf aufgezeichneten Phasenschritt-Verläufen für das gleiche zu übertragende Signal ist zu erkennen, daß die resultierende mittlere Phasenmodulation der bekannten MSK-Modulation (siehe den in der Figur oben dargestellten Verlauf) und der gemäß der Erfindung modifizierten MSK-Modu¬ lation (siehe den in der Mitte der Figur dargestellten Ver¬ lauf) ähnlich sind. Der Unterschied besteht jedoch darin, daß bei der modifizierten MSK-Modulation langsamere Richtungsän- derungen auftreten als bei der bekannten MSK-Modulation. Dies bedeutet, daß bei der gemäß der Erfindung modifizierten MSK- Modulation die hochfrequenten Modulationsanteile im Vergleich zur bekannten MSK-Modulation erheblich reduziert sind. Bei beiden in der Figur dargestellten Modulationsverläufen ergibt sich nach einer weiteren Gauß-Filterung ein erheblich glatte¬ rer Verlauf der effektiven Phase eines modulierten Trägers als im Falle der GMSK-Modulation, worin sich der reduzierte spektrale Bandbreitenbedarf widerspiegelt.
Die Einführung eines dritten Phasenschrittes führt nicht zu einem schlechteren Verhalten der gemäß der Erfindung modifi¬ zierten MSK-Modulation in Bezug auf Störungen, obwohl drei mögliche Endzustände der Phase auftreten können und sich da¬ durch eine Verringerung der Euklidischen Distanz zeigt. In der Realität muß stets nur zwischen zwei Zuständen unter¬ schieden werden, da nie ein unmittelbarer Wechsel von +90° auf -90° oder umgekehrt auftreten kann.
Darüber hinaus sind durch die Modulationsvorschrift aufeinan- derfolgende Phasenschritte miteinander verknüpft. Hierdurch ist das Erkennen und die Korrektur von falschen Einzelent¬ scheidungen ermöglicht, d.h. eine Trellis-Decodierung ergibt für diese Modulation ein erheblich besseres Verhalten als ei¬ ne Einzelbit-Decodierung.
Für die bekannte MSK-Modulation und die gemäß der Erfindung modifizierte MSK-Modulation sind in Tabelle 3 auf der Basis "einer Trellis-Decodierung die Folgen mit den geringsten Ab¬ ständen dargestellt. Die Folgenlänge ist für die gemäß der Erfindung modifizierte MSK-Modulation um ein Bit größer als die Folgenlänge für die bekannte MSK-Modulation. Wenn Fehler vorkommen, treten sie nach Tabelle 3 in beiden Fällen als Doppelfehler in benachbarten Bits auf.
Bei einer effektiven Detektion auf der Empfangsseite ist also die Modulationsgesetzmäßigkeit mit in Betracht zu ziehen. Al- lein auf der Basis von Einzelbit-Entscheidungen würde sich eine erhöhte Bitfehler-Wahrscheinlichkeit ergeben. Auf der Basis einer "Maximum-Likelihood"-Detektion erlaubt das Modu¬ lationsverfahren nach der Erfindung jedoch eine nennenswerte Reduktion des spektralen Bandbreitenbedarfs eines Signals und damit eine Reduzierung der Bandbreite eines Übertragungska¬ nals bzw. eine Erhöhung der Datenrate bei gleicher Bandbreite des Übertragungskanals.
Lediglich wegen der verhältnismäßig einfachen Darstellung ist vorstehend die MSK-Modulation als Beispiel ausgewählt worden. Die Verhältnisse gelten völlig analog auch für die GMSK-Modu- lation, wie sie beispielsweise im GSM-Mobilfunksystem einge¬ setzt wird. Da Mobilfunksysteme praktisch immer spektral be¬ grenzt sind, kommt einer effektiven Modulation eine erheb- liehe Bedeutung zu. Der GMSK-Modulation kommt daher wegen ih¬ rer zusätzlichen spektralen Filterung eine erheblich größere Bedeutung zu als der MSK-Modulation, die nur dann sinnvoll eingesetzt werden kann, wenn mäßige Anforderungen an die spektrale Effizienz gestellt werden.
Die Realisierung des erfindungsgemäßen Phasenschritt-Modula¬ tionsverfahrens in einem System läßt sich sendeseitig ähnlich wie in derzeit bekannten Systemen durchführen. Hierzu werden zweckmäßigerweise die Verläufe der Phase bzw. der beiden Qua- draturkomponenten, d.h. des I-Anteils und des Q-Anteils, in einer Tabelle abgelegt. Die Adresse für diese Tabelle wird durch die bisher gesendeten Bits und mit den Ausgängen eines mit einem Vielfachen des Bittaktes betriebenen Zählers gebil¬ det. Damit ist der Feinverlauf der Phase festgelegt. Die Grundphase wird dann üblicherweise aus den bisherigen Phasen¬ schritten abgeleitet und dazu addiert.
Die vorstehend beschriebene, gemäß der Erfindung modifizierte MSK- bzw. GMSK-Modulation stellt einen relativ einfachen Fall einer digitalen Phasenschritt-Modulation dar, da lediglich ein zurückliegendes Bit berücksichtigt wird. Es lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Phasenschritt-Modulationsver¬ fahrens generell, wie am Beispiel aufgezeigt, der spektrale Bandbreitenbedarf reduzieren und die Länge der Minimalfolgen erhöhen. Ein Einsatz des erfindungsgemäßen Phasenschritt- Modulationsverfahrens ist besonderes vorteilhaft in Mobil- funksystemen, wie dem GSM-Mobilfunksystem.
Für Funksysteme sind insbesondere auch höherstufige, nach dem Erfindungsprinzip arbeitende Modulationen von Interesse, bei denen zwei oder mehr Bits ein Symbol des über den Träger zu übertragenden Signals bilden, um höherratige Signalübertra¬ gungen zu ermöglichen.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems zur Realisierung eine Mobilfunksystems wird eine zu übertragende Datenrate von 16 kbit/s unter Verwendung einer Faltungs- codierung der Rate 1/2 für den sogenannten "Füll-Rate"-Kanal und eine Datenrate von 8 kbit/s für den sogenannten "Half- Rate"-Kanal des Mobilfunksystemε vorgeschlagen. In diesem Zu¬ sammenhang wird eine Erhöhung der "Constraint-Length" der Faltungscodierung gegenüber dem bisher eingeführten GSM- System vorgeschlagen.
Die gemäß der Erfindung ausgebildete Phasenschrittmodulation und die beschriebenen Weiterbildungen erlauben Datenübertra- gungen mit einer Rate von 14,4 und 16 kbit/s, was gegenüber der bisher bei GSM maximal erreichbaren Rate von 9,6 kbit/s eine erhebliche Verbesserung darstellt. Für Sprachübertra- gungen auf "Half-Rate"-Kanälen läßt sich mit 8 kbit/s eine wesentlich bessere Qualität als mit teilgeschützten 6,5 kbit/s beim jetzigen GSM-Mobilfunksystem erzielen.
Der zuletzt erwähnte Sachverhalt ist insbesondere deswegen von Interesse, weil ein großer Bedarf an der Einführung von "Half-Rate"-Sprachcodierern mit einer Datenrate von 8 kbit/s und einer Rahmenzeit von 10 ms besteht, durch die sich die effektive Netzkapazität etwa verdoppelt würde. Darüber hinaus ließe sich die bisher beim GSM-System auftretende Verzöge¬ rungszeit von ca. 90 ms mit einem derartigen Sprachcodierer reduzieren.

Claims

' Patentansprüche
1. Verfahren zur digitalen Phasenschritt-Modulation eines Modulationsträgers, bei dem für jedes zu übertragende digita- le Symbol eines Signals ein diskreter Phasenschritt bei kon¬ stant gehaltener Amplitude durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet , daß die vorzunehmenden Phasenschritte des Modulationsträgers jeweils sowohl vom aktuell zu übertra¬ genden Symbol als auch von einem oder mehreren der davor übertragenen Symbole abhängig sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net , daß die diskreten Phasenschritte an ihren Übergängen einer Filterung bzw. einer Pulsformung unterworfen werden, bevor die tatsächliche Phasenmodulation des Modulationsträ¬ gers erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine gauß- oder sinusförmige Filterungsform an den Phasen- Übergängen des Modulationsträgers.
4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Filterungsform an den Phasenübergängen des Modulations- trägers entsprechend einer Potenzfunktion.
5. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine lineare Filterungsform an den Phasenübergängen des Modu¬ lationsträgers.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte Steilheit der Pha¬ senübergänge des Modulationsträgers gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangszeit für alle Phasen¬ übergänge des Modulationsträgers konstant ist. '8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die maximale Steigung der Phasen¬ übergänge des Modulationsträgers konstant ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet , daß die Berücksichtigungstiefe zuvor übertragener Symbole wählbar ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Phasenschritte zusätzlich von der aktuellen Symbolposition in einem Daten¬ strom abhängig sind.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Wahl der Phasen¬ schritt- und Übergangsparameter im Hinblick auf einen redu¬ zierten Bandbreitenbedarf des modulierten Trägers getroffen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Wahl der Phasenschritt- und Übergangsparameter im Hinblick auf ein verbessertes Signal- Rausch-Verhältnis getroffen wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine tabellarische Darstellung der aktuellen Phasenschritte und Phasenwerte, welche für ein zu übertragendes Symbol in Abhängigkeit von den bereits über¬ tragenen Symbolen verwendet werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche in An¬ wendung bei aus einem Bit (0 oder 1) bestehenden Symbolen und unter Berücksichtigung nur des aktuellen und des diesem Bit unmittelbar vorausgehenden Bits bei der Bildung des Phasen- schritts, dadurch gekennzeichnet , daß immer dann, wenn das aktuell zu übertragende Bit und das unmittelbar da¬ vor übertragene Bit unterschiedlich sind (= Bitfolge 0-1 oder 1-0), ein Phasenschritt von 0° verwendet wird, daß immer dann, wenn das aktuell zu übertragende Bit und das unmittel¬ bar davor übertragene Bit den logischen Zustand 0 aufweisen (= Bitfolge 0-0) , ein Phasenschritt von -90° verwendet wird, und daß immer dann, wenn das aktuell zu übertragende Bit und das unmittelbar davor übertragene Bit den logischen Zustand 1 aufweisen (= Bitfolge l-l) , ein Phasenschritt von +90° ver¬ wendet wird (modifizierte MSK-Modulation) .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in Anwendung bei aus einem Bit (0 oder l) bestehenden Symbolen und unter Berücksichtigung nur des aktuellen und deε diesem Bit unmit¬ telbar vorausgehenden Bits bei der Bildung des Phasen¬ schritts, dadurch gekennzeichnet , daß immer dann, wenn das aktuell zu übertragende Bit und das unmittelbar davor über¬ tragene Bit unterschiedlich sind (= Bitfolge 0-1 oder 1-0) , ein Phasenschritt von 0° verwendet wird, daß immer dann, wenn das aktuell zu übertragende Bit und das unmittelbar davor übertragene Bit den logischen Zustand 0 aufweisen (= Bitfolge 0-0) , ein Phasenschritt von +90° verwendet wird, und daß im¬ mer dann, wenn das aktuell zu übertragende Bit und das unmit¬ telbar davor übertragene Bit den logischen Zustand 1 aufwei¬ sen (= Bitfolge 1-1) , ein Phasenschritt von -90° verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß bei der empfangsseiti- gen Detektion aufgrund der durch die Modulationsgesetzmäßig- keit gegebenen Verknüpfung aufeinanderfolgender Phasenschrit¬ te falsche Einzelbit-Entscheidungen erkannt und korrigiert werden.
17. System zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Sendeseite zur
Modulation eines Modulationεträgers ein Phasenschritt- Modulator vorgesehen ist, der für jedes zu übertragende digi- 14 ' tale Symbol eines Signals einen diskreten Phasenschritt bei konstant gehaltener Amplitude vornimmt, wobei diese Phasen- εchritte jeweils sowohl vom aktuell zu übertragenden Symbol als auch von einem oder mehreren der unmittelbar vorher über- tragenen Symbole abhängig sind.
18 . System nach Anspruch 17 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n e t , daß im Phasenschritt-Modulator die diskreten Phasenschritte an ihren Übergängen einer Filterung bzw. einer Pulsformung unterworfen werden, bevor die tatsächliche Phasenmodulation des Modulationεträgers erfolgt.
19. System nach einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Sendeseite in einer Tabel¬ le die Verläufe der Phasenschritte bzw. der beiden Quadratur¬ komponenten (I- und Q-Anteile) abgelegt sind, daß die Adresse für diese Tabelle durch die bisher gesendeten Bits und die Auεgänge eines mit einem Vielfachen des Bittaktes betriebenen Zählers gebildet wird, so daß daraus der Feinverlauf einer
Phase bestimmt ist, und daß die Grundphase aus den bisherigen Phasenschritten abgeleitet und dazu addiert wird.
20. System nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Empfangsseite eine Detek- tionseinrichtung vorgesehen ist, in der zur Symboldetektion auf der Basis einer "Maximum-Likelihood"-Detektion zusätzlich zu Einzelbitentscheidungen auch die vorgegebenen Modulations¬ gesetzmäßigkeiten herangezogen werden.
21. System nach einem der Ansprüche 17 biε 20, das als Mo¬ bilfunksystem ausgeprägt ist.
22. System nach Anspruch 21, das als GSM- oder GSM ähnliches Mobilfunksystem ausgeprägt ist. ' 23. System nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet , daß die Filterung gauß-, sinusförmig, linear oder einer Potenzfunktion folgend ausgeprägt ist bzw. bei der Pulsformung eine bestimmte Steilheit der Phasen¬ übergänge des Modulationsträgers gewählt wird.
24. System nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich¬ net , daß die maximale Steigung der Phasenübergänge des Mo¬ dulationsträgers als konstant gewählt wird.
25. System nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet , daß bei der empfangsseitigen Detektion aufgrund der durch die Modulationsgesetzmäßigkeit gegebenen Verknüpfung aufeinanderfolgender Phasenschritte falsche Ein- zelbit-Entscheidungen erkannt und korrigiert werden.
26. System nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet , daß für den sogenannten "Füll-Rate"- Kanal eine Datenrate von 16 kbits/s unter Verwendung einer Faltungscodierung der Rate 1/2 und für den sogenannten "Half- Rate"-Kanal eine Datenrate von 8 kbits/s vorgesehen ist.
27. System nach einem der Ansprüche 18 biε 26, dadurch gekennzeichnet , eine Erhöhung der εogenannten "Con- straint Length" der Faltungscodierung gegenüber dem GSM- Mobilfunksystem vorgesehen ist.
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