DE1129180B - Empfangseinrichtung fuer Impulsuebertragung durch quantisierte Phasenmodulation eines Traegers - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

ANMELDETAG: 30. MARZ 1961

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 10. MAI 1962

Es wird ein Datenübertragungssystem mit Impulsen im gegenseitigen Abstand T₀ vorausgesetzt, welches sekundlich also l/7p Schritte übertragen kann. Im einfachsten Falle quantisierter Impulswertigkeiten kann jeder Impuls die Werte 0 oder 1 bzw. — 1 oder + 1 annehmen. Dann liegt ein Binärsystem vor mit einer Information von 1 bit pro Impuls. Erlaubt der Störabstand des Systems die Unterscheidung von k verschiedenen Werten jedes Impulses, dann hat jeder Impuls die Information von Id (k) bit, wobei Id den dyadischen Logarithmus bedeutet. Die Telegraphiegeschwindigkeit dieses Systems ist IdQc)JT₀ Baud. Ferner wird die Übertragung mit Hilfe eines Trägers Co₀ vorausgesetzt, wobei die k verschiedenen Werte eines Impulses durch k Phasenlagen des Trägers dargestellt seien.

Fig. 1 erläutert die quantisierte Phasenmodulation. Sie stellt eine Phasenebene dar mit der reellen Achse χ und der imaginären Achse y. Diese sei definiert in bezug auf einen gegebenen Träger cos (coQt), welcher dann den Einheitsvektor in der x-Achse gelegen darstellt. A cos (wQt+φ) ist in dieser Ebene ein Vektor der Länget, welcher um den Winkel φ gegen die x-Achse vorgedreht ist. Einem Modulationsimpuls der Wertigkeit« entspricht ein solcher Signalvektor mit einem η eindeutig zugeordneten Winkel <p_n. Bei k vorzugsweise äquidistanten Phasenlagen kann der Signalvektor für die Dauer des ihn erzeugenden Impulses eine dieser k Phasenlagen annehmen. Ein Impuls der Wertigkeit η erzeugt dann ein Signal, welches durch A cos {o^t+2% n\k) dargestellt ist. In Fig. 1 ist k = 8 angenommen, und die acht Phasenlagen sind von / bis k durchnumeriert. In diesem Falle hat jeder Impuls 3 bit Information.

Ein Demodulator für quantisierte Phasenmodulation hat die Aufgabe, die im Empfangssignal vorliegende Phase und daraus den jeweiligen Wert« festzustellen. Die Ermittlung einer Phase ist immer nur in bezug auf ein gegebenes Koordinatensystem möglich, d. h. in bezug auf einen gegebenen Träger. Der im Sender beliebig vorgegebene Träger cos (a^t) muß im Empfänger deshalb durch einen Oszillator erzeugt und über den Übertragungsweg in Frequenz und Phase synchronisiert werden. Den übrigen Aufbau des Demodulators zeigt Fig. 2. Die Demodulation erfolgt multiplikativ in zwei Multiplikatoren 1, 2. Beide erhalten an einem Eingang das empfangene Signal, aber getrennte Trägerphasen an ihrem zweiten Eingang. Für den einen ist cos (W₀?) der demodulierende Träger, für den anderen der dazu in Phasenquadratur stehende Träger — sin(coQt). Liegt am Empfängereingang für die Dauer eines Impulses

Empfangseinrichtung für Impulsübertragung durch quantisierte Phasenmodulation

eines Trägers

Anmelder:

Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3

Dr.-Ing. Ernst Kettel, Ulm/Donau-Söflingen,
ist als Erfinder genannt worden

das Signal A cos (ωοί+2π njk), so entstehen an den beiden Ausgängen des Demodulators nach Abtrennung trägerfrequenter Anteile durch die Tiefpässe 3, 4 die Ausgangsgrößen

x — A cos (2π njk) y = A sin (2π n/k).

Dies sind die Beträge der Komponenten des Signalvektors in bezug auf das durch den Bezugsträger definierte Koordinatensystem. Durch sie ist die jeweils gesendete Phase, d. h. der Wert von η eindeutig bestimmt.

Das Problem eines Empfängers nach Fig. 2 liegt in der Synchronisierung des örtlichen Oszillators.

Diese kann dadurch erfolgen, daß in größeren Zeitabständen in die Übertragung Impulse mit a priori bekannter Phase, z. B. η = O, eingeblendet werden, an die dann die Phase des Oszillators angebunden wird. Dies ist ein Regelvorgang mit relativ großer Trägheit, und das System versagt deshalb bei solchen Übertragungssystemen, bei denen schnellere Phasenoder Frequenzschwankungen auftreten.

Es gibt gegen diese Schwierigkeiten eine bekannte Abhilfe. Sie besteht darin, daß nicht ein vorgegebener Träger die Bezugsphase darstellt, sondern die Phase des Impulssignals, mit dem der zeitlich vorangegangene Impuls ankam. Die Nachricht steckt also in der Phasendifferenz zweier zeitlich aufeinanderfolgender Impulse. Dementsprechend muß auch die Modulation vorgenommen werden. Lautet z. B. ein erstes Signal A cos {ο^ΐ+ΐπ najk), wobei W₀ von der Vorgeschichte abhängt, und hat der folgende Impuls

209 579/178

Ax = x\x₂+y\y₂ =

A² [cos (2π

COS {2π Tl₀Ik-φ) + sin (2π (no+n₂)l

sin(InTi₀Ik-φ)] = A^ cos (2π Ti₂Ik)

Der Summator 12 bildet den zweiten Ausgang des Demodulators

= Ĺ [sin (2π

eos (2nnojk—(p) — cos (2π (no+n₂)lk—<p)

sin (2π Ti₀Ik-f)] = A2 sin (2π Ti₂Ik)

(4) und (5) sind die gesuchten Komponenten der Nachricht H₂- Das in Fig. 3 dargestellte System liefert sie, ohne einen phasenstarren Träger im Empfänger voraussetzen zu müssen. Statt die Trägerphasen wie im eingangs geschilderten System mittels Schwing-

die Wertigkeit n₂, so lautet das zugehörige Signal A cos (wot+2π («ο+Tt₂)Ik). Für die Demodulation dieses Signals in einer Fig. 2 entsprechenden Anordnung muß der Empfänger in der Lage sein, die Phase des vorangehenden Impulses zu speichern, also Träger cos (ωοί+2π Tt₀Ik) und —sin (ωοί+2τι Ti₀Ik) an die Multiplikatoren während der Dauer des zweiten Impulses zu legen. Der Empfanger bestimmt also die Komponenten eines empfangenen Signals in der durch die Phase des vorangegangenen Impulses definierten Phasenebene. Als Ergebnis folgen die Gleichungen (1) mit η = H₂, also die richtige Nachricht.

Das Verfahren wird so durchgeführt, daß im
Empfänger während eines ersten Empfangsimpulses 15
ein sehr selektiver Kreis auf dessen Frequenz und
Phase einschwingt und dann frei weiterschwingend
den zweiten Impuls demoduliert, indem er für dessen
Dauer den Multiplikatoren die richtigen Trägerphasen liefert. Der Kreis wird dann gelöscht und 20 kreisen speichern zu müssen, braucht man hier kann danach auf Frequenz und Phase des dritten lediglich die mit beliebiger Trägerphase demodu-Impulses einschwingen. Um alle Impulse demodu- lierten Komponenten des zeitlich vorangehenden lieren zu können, braucht man zwei Schwingkreise Impulses zu speichern.

in alternierendem Betrieb. Dieses Verfahren ist Es sei nun angenommen, der örtliche Oszillator

kompliziert und geht nur dort, wo sich die einzelnen 25 des Empfängers habe die Phase φ nur zur Zeit des Impulse zeitlich nicht merklich überlappen und auf ersten Impulses gehabt. Es gelte also die Gleichung (3). die Dauer eines Impulses wenigstens einige Träger- Innerhalb der Zeit T₀ bis zum nächsten Impuls habe Perioden entfallen. sich die Phase um —Δφ geändert. In die Glei-

Es wird hier ein in Fig. 3 dargestelltes neues chungen (2) ist dann φ—Δφ einzusetzen. Dies gibt Verfahren vorgeschlagen, welches frei von diesen 30 dann statt der richtigen Werte (4), (5) die mit dem Nachteilen ist und auch einfacher in der Realisierung. Phasenfehler Δφ behafteten neuen Ausgangsgrößen Auch hier liege die Nachricht in der Phasendifferenz
zweier aufeinanderfolgender Impulse. Der Empfänger
habe einen durchschwingenden Oszillator, der die
richtige Frequenz W₀ habe, aber eine willkürliche 35
Phase φ. Später wird gezeigt, daß auch eine Frequenzdifferenz gegenüber den empfangenen Signalen bestehen darf. Man betrachtet den Zeitaugenblick, wo
ein mit dem Index 1 bezeichneter Impuls, der die
Phase 2UTt₀Ik hatte, zu Ende ist und ein zweiter 40
Impuls (Index 2) mit der Nachricht H₂ empfangen

so führt dies nicht zu einem Fehler in der Bestimmung von H₂. Der angenommene Phasenfehler innerhalb der Zeit T₀ bedeutet eine Frequenzabweichung zwisehen der Empfangsfrequenz und der Frequenz des Oszillators im Empfänger von Δω — ΔφΙΤ₀.

Der für das System Fig. 3 notwendige lokale Oszillator bedarf also dann keiner Frequenzregelung durch die empfangenen Signale, wenn er von der

nicht geschlossen werden, da Ti₀ und φ unbekannt 50 richtigen Frequenz keine größere Abweichung hat als sind. In Fig. 3 folgen auf die Tiefpässe nun je
Glieder 5, 6 mit einer Laufzeit der Dauer T₀. In dem
betrachteten Zeitpunkt, wo am Eingang der Laufzeitglieder die Komponenten gemäß Gleichung (2)
des zweiten Impulses stehen, liegen an ihren Aus- 55
gangen dann die beiden Komponenten des zeitlich
vorangegangenen Impulses. Diese lauten (2) entsprechend

des Empfangers gemäß Fig. 3

Ax = Ä* cos (2π Ti₂Jk+Δφ)

Ay = Λ² sin (2π Tt₂Ik+Δφ) (6)

Die Demodulation erfolgt also in bezug auf eine um Δφ falsch orientierte Phasenebene. Ist Δφ klein gegen den kleinsten Abstand zweier der quantisierten Phasen, also

Κ (7)

wird. Dieser hat die Phase 2π (^+Ti₂)Ik und liefert deshalb nach Demodulation in den Multiplikatoren 1, 2 und Abtrennung trägerfrequenter Anteile durch die Tiefpässe 3, 4 die beiden Komponenten

X₂-A cos (2π
y₂ = A sin (2π

(2)

Aus diesen beiden Komponenten kann auf n₂

=^₁ μ ^ Ils. kl₀

X₁ = A cos (2π Ti₀Ik- φ) J₁ = A sin (2π Ti₀Ik-φ)

Für das in Fig. 1 dargestellte System mit k — 8 wäre danach der erlaubte Frequenzfehler 2,5% der Impulstaktfrequenz.

Es soll noch erläutert werden, wie die Nachricht n₂ ,,.. aus den Komponenten (4), (5), also den Ausgängen

*- ' 60 des Systems gemäß Fig. 3 ermittelt werden kann. Das Wesen der Erfindung besteht nun darin, Eine mögliche Anordnung zeigt Fig. 4. Dabei durch einen Rechenprozeß mit Hilfe der Glei- handelt es sich um eine Entscheidungsoperation, chungen (3) die Größen Ti₀ und φ aus den Glei- welcher der Nummern / bis k der Wert n₂ entspricht, chungen (2) zu eliminieren und dadurch die Kompo- Dazu sind k Summatoren vorhanden, von denen nenten der Nachricht H₂ zu erhalten. Dazu werden 65 Fig. 4 drei zeigt. Jedem Summator ist eine der in vier Multiplikatoren 7, 8, 9, 10 die Produkte Nummern / bis k zugeordnet, und es soll immer nur X₁X₂, X₁J₂. xtfi und y\y₂ gebildet. Ein Summator 11 derjenige ansprechen, dessen Nummer mit H₂ überbildet einen ersten Ausgang des Demodulators einstimmt, alle anderen seien gesperrt. Zunächst

müssen dazu die Summatoren 13 bis 15 nur einseitig aussteuerbar sein, was wie in Fig. 4 z. B. durch Gegenkopplung über Gleichrichter 16,17, 18 erreicht werden kann. Bei der gezeichneten Polarität ist nur eine Austeuerung des Ausgangs nach negativen S Werten möglich. Im übrigen seien die Summatoren von der Art, wie sie in der analogen Rechentechnik verwendet werden, wobei die Ausgangsspannung gleich der negativen Summe aller Eingänge ist, was hier wegen der Begrenzung nur dann gilt, wenn die Summe aller Eingänge positiv ist. Jeder Summator hat zwei Eingänge, die von den Ausgängen des Demodulators Fig. 3 gespeist werden. Jeder Summator bewertet diese Eingänge aber mit verschiedenen Koeffizienten. Für den /-ten Summator seien diese Faktoren für den ersten Eingang α«, den zweiten bi mit

= cos (2π ijk),

= sin (2π ilk) (9)

Seine bewertete Eingangsgröße ist dann

Ax cn+Ay bi = A² [cos (2π H₂Jk) cos (2π ilk)
+sin (2π m/k) sin (2π i/k)] = Α² cos (2π [H₂-I)Jk)

(10)

Der Summator mit / = n₂ erhält also den maximalen Eingang. Da in Fig. 4 von jedem Ausgang der Summatoren Gegenkopplungen auf alle anderen Summatoren vorgesehen sind, ist der Summator mit maximalem Eingang in der Lage, alle übrigen zu sperren. Es gibt also immer nur einen Summator, der am Ausgang die Aussteuerung — A² zeigt — alle anderen haben den Ausgang 0 —, und die Nummer dieses Summators ist identisch mit der Nummer der gesendeten Phasendifferenz.

Das beschriebene Demodulationsverfahreu, bei dem durch den in Fig. 3 dargestellten Rechenprozeß mit Hilfe der Gleichung (3) die Größen «ο, φ aus den Gleichungen (2) eliminiert werden, muß noch gegen ein von Harmuth in Electr. and Comm. (July, 1960), S. 221 bis 228, beschriebenes Verfahren abgegrenzt werden. Auch dort ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Träger im Empfänger nicht phasenstarr zu den empfangenen Signalen sein müssen. Der Phasenfehler wird dort durch die gleichen Rechenoperationen beseitigt, die oben durch Gleichungen (4), (5) beschrieben sind [Gleichung (16) bei Harmuth]. Dort ist aber die Nachricht durch die Phase, nicht die Phasendifferenz gegeben. In den der obigen Gleichung (2) entsprechenden Gleichungen ist also nur φ zu eliminieren. Dazu werden Hilfsgrößen cos φ, sin φ benötigt, welche die gleiche Rolle beim Harmuthschen Verfahren übernehmen wie im obigen Falle die Gleichung (3). Diese Hilfsgrößen werden aber bei dem bekannten Verfahren getrennt von der Nachricht in einem zweiten, frequenzverschobenen Band übertragen. Es besteht also lediglich eine Übereinstimmung bezüglich der mit zwei Komponentenpaaren anzustellenden formalen Rechenoperationen. Das hier vorgeschlagene neue Verfahren braucht nicht wie beim Harmuthschen Verfahren einen Hilfskanal zur Eliminierung der Fehler des Oszillators im Empfänger, sondern erreicht dies durch die Verwendung der Komponenten des zeitlich vorangehenden Impulses.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Pulsübertragungssystem mit quantisierter Phasenmodulation eines Trägers, wobei die Nachricht in der Phasenänderung eines Impulses gegenüber dem zeitlich vorangehenden Impuls besteht und vorzugsweise eine feste Zahl quantisierter, äquidistanter Phasenänderungen vorgesehen ist, und mit einem Empfänger mit zwei multiplikativ wirkenden Demodulatoren, denen beiden die Empfangsspannung und je eine von zwei zueinander in Phasenquadratur stehenden Spannungen einer im Empfänger erzeugten Oszillatorfrequenz zugeführt werden, so daß nach Abtrennung trägerfrequenter Anteile durch Tiefpässe aus dem Empfangsvektor des Signals die Komponenten x₂, y₂, bezogen auf die durch den Empfangsoszillator definierte Phasenebene, entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangsoszillator eine beliebige Phasendifferenz oder kleine Frequenzdifferenz gegenüber dem empfangenen Träger besitzt, daß in Laufzeiten von der Dauer eines Impulsabstandes die entsprechenden Komponenten x\y\ des zeitlich vorangegangenen Impulses gespeichert und daß durch einen Rechenprozeß aus den beiden verfügbaren Komponentenpaaren die im Komponentenpaar x₂, y₂ enthaltenen unbestimmten Phasen eliminiert werden.

2. Pulsübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den beiden gegebenen Komponentenpaaren durch MuHiplikationen und Summationen ein neues Komponentenpaar nach den Beziehungen χ = x_xx₂ +y\y₂, y = XIy₂-X^i gebildet wird.

3. Pulsübertragungssystem mit k quantisierter, Phasendifferenzen nach Anspruch 1, bei dem mittels einer Entscheidungsoperation die jeweils gesendete Phasendifferenz aus dem nach Anspruch 2 gebildeten Komponentenpaar bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder möglichen Phasendifferenz ein bestimmter, einseitig aussteuerbarer Summator zugeordnet ist, der nur und allein bei der ihm zugeordneten Phasendifferenz ansprechen soll, daß die Summatoren sich gegenseitig sperren können und alle die beiden für die Entscheidung verfügbaren zwei Komponenten x, y über zwei für jeden der Summatoren unterschiedliche Bewertungsfaktoren zugeführt erhalten, wobei für den /-ten Summator, der die /-te Phasendifferenz feststellen soll, die beiden Bewertungsfaktoren gleich oder proportional cos (2π ilk) und sin {2:i ilk) sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 57W178 5.62