DK159707B - Digital modulationsfremgangsmaade - Google Patents

Description

i

DK 159707 B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til digital modulation ved hjælp af digitalsignaler med en ordlængde på k bit, ved hvilken der til de 2 mulige bitord knyttes modulationssignaler med bestemte amplituder og fasebelig-5 genheder, hvilke modulationssignaler dannes ved kombination af tre indbyrdes 120° faseforskudte og amplitude-vægtede bærebølgesvingninger med konstant frekvens, i-det der som modulationssignaler kun benyttes sådanne signaler, hvis vektorer opdeler faseplanet på 360° i lige 10 store vinkelafsnit, og at der yderligere som modulationssignal benyttes et niveauløst nulsignal.

En sådan fremgangsmåde er kendt fra IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-21,No. 10, oktober 1973 side 1108-1115.

15 En sådan digital modulationsfremgangsmåde er også kendt fra DE-patentskrift nr. 22 06 382. Der er her navnlig beskrevet en fremgangsmåde til modulation af et bæresignal med flercifrede digitalsignaler, dvs. signaler med en større ordlængde end 2 bit. Målet hermed er at modulere 20 bæresignalet således, at det i størst muligt omfang er u-følsomt mod forstyrrelser på overføringsstrækningen, således at det oprindelige datasignal i modtageren kan genvindes fejlfrit ud fra det modulerede bæresignal. Ved ordlængder for det digitale signal på 2 og eventuelt og-25 så 3 bit er det tilstrækkeligt kun at foretage fasemodulation af et bæresignal med konstant amplitude. For den rene fasemodulation sættes imidlertid hurtigt en grænse, idet et tiltagende antal mulige bitord medfører en aftagende faseforskel mellem de til disse bitord knyttede 30 signaler. Ved for små faseforskelle opstår nemt risiko for, at et signal allerede ved små fasevariationer antager fasen for sit fasemæssige nabosignal. For også ved flercifrede datasignaler at kunne virkeliggøre en så vidt mulig forstyrrelsesufølsom modulation går man der- 35 for over til fase-amplitudemodulation, hvilket vil sige, at de til de mulige bitord knyttede signaler afviger i fasen og/eller amplituden. Valget af fase- og amplitude- 2

DK 159707 B

forskelle mellem de enkelte signaler skal nu foretages således, at sædvanlige, ved signaloverføringen optrædende forstyrrelser som støj, faseforskydninger, amplitudehældninger (Ampiitudenschråglagen), flervejsudbredelse 5 ©g lignende ikke forstyrrer signalamplituderne og -faserne så stærkt, at der optræder overgange mellem forskellige signaltilstande. Det førnævnte DE-patentskrift nr.

22 06 382 angiver en modulationsfremgangsmåde baseret på fase-amplitudemodulation, som i forhold til kendte frem-1° gangsmåder, f.eks. kvadraturamplitudemodulation QAM), be-; sidder en større forstyrrelsesafstand. I modsætning til QAM, ved hvilken de forskellige signaltilstande opstår gennem den af bitordene styrede kombination af to indbyrdes 90° faseforskudte og i deres amplitude tilsvarende ^5 vægtede bærebølgesignaler, kombineres ved den i DE-patentskrift nr. 22 06 382 beskrevne fremgangsmåde tre indbyr- -des 120° faseforskudte og amplitudevægtede bærebølgesvingninger med hinanden; ved denne fremgangsmåde vælges signalvektoreriie med hensyn til deres amplitude og fase 20 nærmere bestemt således, at deres ender ligger i midtpunkterne af lige store regulære sekskanter, som i faseplanet er ordnet uden mellemrum i en art vokskagestruktur om vektorbegyndelsespunktet M, se fig. 1.

Af det i fig. 1 viste fasepian fremgår det, at vink-2^ len mellem nogle signalvektorer, f.eks. mellem vektorerne 1 og 10 eller 5 og 15 osv. er forholdsvis lille, hvorved der som følge af faseforskydninger let kan finde overgange sted mellem disse vektorer. Med hensyn til faseforskydninger er derfor også denne modulationsfrem- *3 f) gangsmåde forholdsvis forstyrrelsesfølsom. Desuden er vektorernes uregelmæssige vinkelopdeling af faseplanet ugunstig for demodulationen, idet demodulatoren må være i stand til nøjagtig detektering af flere meget forskellige fasetilstande. Med denne vanskeliggørelse af en én-tydig detektering af fasetilstandene forøges fejlsandsynligheden ved demodulationen.

3

DK 159707 B

Den fra IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-21, No. 10, oktober 1973, side 1108-1115 kendte digitale modulationsfremgangsmåde giver en forbedring med hensyn til fejlsandsynligheden i forhold til den i DE PS 5 2 206 382 beskrevne fremgangsmåde. Ifølge denne frem gangsmåde dannes modulationssignalerne ligeledes ved kombination af tre indbyrdes 120° faseforskudte og ampiitudevægtede bærebølgesvingninger. Idet der som modulationssignaler kun benyttes sådanne signaler, hvis 10 vektorer opdeler faseplanet på 360° i lige store vinkelafsnit, og at der yderligere som modulationssignal benyttes et niveauløst nulsignal, som er tilordnet et bitord, øges afstandene mellem de enkelte vektorer for modulationssignalerne og dermed også deres forstyrrelses-15 følsomhed.

Ved opfindelsen tilsigtes det at anvise en digital modulationsfremgangsmåde af den i indledningen nævnte art, som i forhold til den kendte teknik giver en yderligere forbedring med hensyn til forstyrrelses-20 følsomheden, og som sikrer en så fejlfri som mulig de-tektion af demodulerede signaler.

Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved, at der ved modulation af datasignaler, hvis ordlængde er større end 2 bit, tilknyttes nulsignalet til flere bitord, der 25 adskiller sig fra hinanden ved mindst tre bitpositioner, og at der i det tidsrum, i hvilket et bitord serielt moduleres sammen med det til dette bitord hørende modulationssignal overføres yderligere to redundante modulationssignaler, som dannes af to bitord, som afledes af 30 det sande bitord og kodes således, at der ved demodulation af de redundante modulationssignaler fejlfrit kan detekteres, hvilke sande bitord, der er overført.

DK 159707 B

4

Hensigtsmæssige udførelsesformer for fremgangsmåden ifølge opfindelsen fremgår af underkravene.

Som følge af, at også signalet med niveauet nul knyttes til ét eller endnu bedre til flere bitord, opnås i 5 forhold til det ved den indledningsvis forklarede fremgangsmåde frembragte modulationssignal en nedsættelse af middelbelastningen, såfremt alle signaltilstande overføres lige hyppigt. Dette er navnlig en fordel, hvor der stilles krav om mindst mulig middelsignalbelastning.

10 Opfindelsen forklares nærmere ved hjælp af de på tegningen viste udførelseseksempler. På tegningen viser fig. 1 en signalvektorfordeling i faseplanet for 16 bitord efter den kendte teknik, fig. 2 en signalvektorfordeling i faseplanet for 15 4 bitord ifølge opfindelsen, fig. 3 en signalvektorfordeling i faseplanet for 16 bitord ligeledes ifølge opfindelsen, fig. 4 en signalvektorfordeling for 8 bitord, hvor nul-vektoren er knyttet til to forskellige bitord, og 20 fig. 5 et til tilfældet i fig. 4 svarende diagram __ til tydeliggørelse af tilknytningen mellem bitord og modulationssignaler.

Til fig. 1 er allerede henvist i forbindelse med forklaringen af den kendte teknik. De i faseplanet ind-25 tegnede lige store regulære sekskanter udgør et hjælpemiddel ved konstruktionen af signalvektorerne. Hvis man lader vektorerne 1-16 ende i midtpunkterne for disse sekskanter opnås forholdsvis gunstige forstyrrelsesafstande mellem vektorerne.

30 I fig. 2 er vist et meget enkelt vektorsystem for et datasignal med fire ord med en længde på 2 bit; i dette tilfælde er der ifølge opfindelsen til det ene bitord knyttet signalet 0, som ikke har noget niveau og naturligvis heller ingen defineret fasetilstand, og til de 35 tre øvrige bitord knyttet signaler, hvis vektorer 1, 2 » l Λ 5

DK 159707 B

og 3 har lige store amplituder og faseforskelle på 120°. Omkring vektorerne er indtegnet såkaldte forstyrrelsescirkler. De afgrænser det område, indenfor hvilket en forstyrrelsesspændingsvektor kan rotere om enderne af 5 signalvektorerne 0, 1, 2, 3, uden at en signaltilstand som følge af overlejringen af forstyrrelsesspændingen forfalskes til en anden signaltilstand. Dette betyder, at demodulatoren også ved en signalforfalskning forårsaget af støj, faseforskydninger, amplitudehældninger eller 10 flervejsmodtagelse i radiofeltet stadig kan detektere den oprindelige signaltilstand rigtigt, så længe vektorspidsen ikke bevæger sig ud af den tilhørende forstyrrelsescirkel. Jo mere forstyrrelsescirklerne ligger udenfor hinanden, desto mindre er sandsynligheden for, at en sig-15 naltilstand forfalskes en anden.

Da også nul-signalet udnyttes ved systemet i fig. 2, hvilket opnås ved overlejring af de tre indbyrdes 120° faseforskudte bærebølgesvingninger med samme amplitude eller ved ikke at udsende nogen af de tre bærebølgesving-20 ninger, kan de andre tre signaler rykke fasemæssigt meget langt fra hinanden, nemlig med 120°, hvorved der opnås en optimal forstyrrelsesafstand mellem signalerne. De i fig. 2 indtegnede signalvektorer 1, 2 og 3 har samme længde. Det er også muligt at danne tre ulige lange vek-25 torer ved kombination af ulige, stærkt vægtede bærebølgesvingninger. Herved opnås for det ekstreme tilfælde for et 3-fasesystem, hvor faseforskellen på 120° som følge af meget kraftige faseforstyrrelser ikke er tilstrækkelig til entydig detektering af signaltilstandene i mod-30 tageren. De trinvis ulige lange signal ampiituder frembyder da et yderligere kriterium til diskriminering mellem signalerne.

I fig. 3 er vist et vektorsystem for et datasignal med seksten ord med en længde på 4 bit. Også i dette 35 tilfælde udnyttes nul-signalet 0. I dette udførelseseksempel knyttes nul-signalet kun til ét bitord. En ideel fordeling af signalvektorerne i faseplanet opnås, hvis hver vektorende ligesom ved den kendte modulationsfrem- % l 6

DK 159707 B

gangsmåde ifølge fig. 1 lægges i midtpunktet af en regulær sekskant. Omkring en midtersekskant, hvis midtpunkt falder sammen med nul-signalets vektor, der samtidigt er begyndelsespunkt 0 for vektorerne 1-15, er de øvrige 5 sekskanter samlede.

Denne sekskantkonfiguration medfører, at de tilhørende vektorer deler faseplanet på 360° i lige store vinkelafsnit. Hver vektor begrænser således med hver af sine nabovektorer en vinkel på 30°. Man opnår modulationssig-10 naler, der som følge af optimalt store og ækvidistante faseafstande kan demoduleres med meget ringe fejlsandsynlighed; hvis amplitudeafstanden mellem signalerne ved det i fig. 3 viste tættest mulige sekskantarrangement ikke er tilstrækkelig ved meget kraftigt optrædende for-15 styrrelser, kan sekskanterne 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 og 15 i den yderste sekskantring fjernes yderligere fra begyndelsespunktet 0, svarende til en forlængelse af de i disse sekskanters midtpunkter endende vektorer.

Det som konstruktionshjælp tænkte sekskantsystem 20 kan som antydet ved de punkterede sekskanter i fig. 3 gøres større med henblik på yderligere signaltilstande.

Til synkronisering af demodulatoren til en fast referencefase og indstilling af forstærkningen på demodulatorsiden kan der med bestemte tidsafstande overlejres 25 en impuls på et modulationssignal med defineret fase.

I udførelseseksemplet er dette modulationssignalet 8.

Den tilhørende vektor får herigennem kortvarigt en i fig. 3 punkteret antydet forlængelse.

Med et enkelt udførelseseksempel for trecifrede bit-30 ord i et digitalsignal skal nu vises, at nulsignalet også kan knyttes til flere end ^ét bitord. Som følge heraf er der behov for faarre signaltilstande med en fra nul forskellig amplitude til fremstilling af samtlige bitord. Herved skal faarre vektorer fordeles i faseplanet på 360°.

35 Faseafstandene mellem vektorerne kan således yderligere forøges. Fordelen ved størst mulige faseafstande er allerede forklaret ovenfor.

Fig. 4 viser faseplanet med vektorer for modula- 7

DK 159707 B

tionssignaler 1-8 med en ordlængde på tre bit. Af tabellen under fig. 4 fremgår tilknytningen mellem de otte mulige bitord og modulationssignalerne 1-8. I faseplanet ligger seks vektorer, nemlig vektorerne for modula-5 tionssignalerne 1-6, som hver udviser en faseafstand på 60° til nabovektorer. Til de resterende to bitord 000 og 111 er knyttet nul-signalet. For at det ved demodulationen kan detekteres, hvilket af de to bitord, et overført nul-signal er knyttet tu, må der overføres yderligere 10 information, hvoraf det kan udledes, om bitordet 000 eller bitordet 111 er overført med nul-signalet.

De yderligere informationer leveres af to redundante bitord, som overføres på moduleret form sammen med hvert moduleret bitord i det datasignal, som skal overføres.

15 Frembringelsen af egnede redundante bitord fremgår af impulsdiagrammet i fig. 5. T betegner taktsignalet for modulatoren. Til modulation foreligger et vilkårligt datasignal DS med trecifrede bitord 101, 011, 000, 001 og 110. Betegnelserne a, b og c benyttes for de 20 tre indbyrdes 120° faseforskudte bærebølgesvingninger, ved kombination af hvilke de ønskede modulationssignaler kan frembringes. Signalværdien 1 ved a, b eller c betyder, at den pågældende bærebølgesvingning inddrages ved frembringelsen af modulationssignalet. Signalværdien 25 0 ved a, b eller c betyder, at den pågældende bære bølgesvingning ikke deltager i det resulterende modulationssignal. Datasignalet føres serielt til modulatoren.

Den første, anden og tredje bit i et ord bestemmer, om henholdsvis bærebølgesvingningen a med fasen 0°, bære-30 bølgesvingningen b med fasen 120° og bærebølgesvingningen c med fasen 240° skal bidrage til modulationen.

Det digitale signal DS føres serielt til demodulatoren, dvs. indstilling af størrelserne a, b og c sker tidsmæssigt efter hinanden. Værditabellerne for a, b 35 og c i den nederste del af fig., .5 anskueliggør denne operation, se de indrammede bitværdier fra a, b og c.

Med den første bit i et ord bringes a på den ved hjælp af denne bit foreskrevne værdi, og med den anden og » * ·

DK 159707 B

8 tredje bit indstilles derpå b og til slut c på den tilsvarende bitværdi. Ved afslutningen af et datasignalord antager a, b og c de til ordet svarende tilstande 1 eller 0, således at det til datasignalordet knyttede 5 modulationssignal opstår ved kombination af de tre bærebølgesvingninger i overensstemmelse af tilstandene af a, b og c.

Sædvanligvis overføres kun det endelige, til datasignalordet knyttede modulationssignal. Dette kan da 10 have en impulslængde svarende til tidsrummet for et til modulatoren serielt ført datasignalord til indstilling af a, b og c til de rigtige tilstande. Dette tidsrum skal imidlertid nu udnyttes, ikke blot til overføring af overføring af det ene modulationssignal, men også af to 15 yderligere redundante modulationssignaler. De to redundante modulationssignaler går tilbage til to bitord, hvoraf det første afviger fra det efterfølgende andet bitord, og det andet fra det derpå følgende sande datasignalord i det mindste på én bitplads. Dette opnås ved 20 opretholdelse af tilstandene af a, b og c mellem to af datasignalet udvirkede ændringer. Dette vil fremgå ved sammenligning af værditabellerne for a, b og c i den nederste del af fig. 5. Ved hjælp af disse to som modulationssignaler overførte, redundante bitord kan det 25 i modtageren fastslås, om et overført nul-signal i modulatoren har været knyttet til bitordet 000 eller bitordet 111. Hvis nemlig det forudgående redundante bitord har været 000, 100, 010 eller 001, har bitordet 000 ligget til grund for nul-signalet, fordi de tre redundante bit-30 ord ved ændring på én bitplads kun kan resultere i ordet 000. På samme måde er nul-signalet med sikkerhed knyttet til bitordet 111, hvis det forudgående redundante bitord har været 111, 011, 101 eller 110. I stedet for forudgående redundante bitord kan også efterfølgende redun-35 dante bitord inddrages til bedømmelse af nul-signalet.

Desuden er det hensigtsmæssigt at inddrage de to redundante bitord til fejldetektering ved alle andre overførte datasignaler. Under visse omstændigheder er også en fejl-

Claims (4)

5 Idet der ved ovennævnte fremgangsmåde i det samme tidsrum, som sædvanligvis kun står til rådighed for overføring af et til datasignalet knyttet modulationssignal, nu skal overføres to yderligere modulationssignaler, må de tre modulationssignaler afstemmes efter hinanden på 10 en ganske bestemt måde. Nærmere bestemt overføres de tre modulationssignaler med indbyrdes 120° faseforskudte ind-hyllingskurver. Som indhyllingskurve for hvert modulationssignal benyttes den sinus- eller kosinusgrundbølge, som kan indvindes ved undertrykkelse af samtlige over-15 toner i de ellers firkantformede indhyllingskurver. Ved denne fremgangsmåde kræves der på fordelagtig måde ikke nogen større båndbredde for overføringskanalen end til overføring af et modulationssignal med firkantformet indhyllingskurve, hvis bredde svarer til tidsrummet for 20 den serielle afgivelse af et datasignalord til modulato-ren. 3 Den i udførelseseksemplet for 2 =8 bitord be skrevne fremgangsmåde kan naturligvis overføres også til digitalsignaler med flercifrede bitord, f.eks. kan nul- 4 — 25 signalet ved 2 = 16 bitord knyttes til fire forskellige bitord. Der skal blot være tale om bitord, som afviger indbyrdes på mindst tre bitpladser.

1. Fremgangsmåde til digital modulation ved hjælp af digitalsignaler med en ordlængde på k bit (k = 1,2, k 3 ...), ved hvilken der til de 2 mulige bitord knyttes modulationssignaler med bestemte amplituder og fasebeliggenheder, hvilke modulationssignaler dannes ved kombi-35 nation af tre indbyrdes 120° faseforskudte og amplitude-vægtede bærebølgesvingninger med konstant frekvens, idet der som modulationssignaler kun benyttes sådanne signa- ♦ » DK 159707 B ler, hvis vektorer opdeler faseplanet på 360° i lige store vinkelafsnit, og at der yderligere som modulationssignal benyttes et niveauløst nulsignal, kendetegnet ved, at der ved modulation af datasignaler, 5 hvis ordlængde er større end 2 bit tilknyttes nulsignalet til flere forskellige bitord, der afviger indbyrdes på mindst 3 bitpladser, og at der i det tidsrum, i hvilket et bitord serielt moduleres sammen med det til dette bitord hørende modulationssignal overføres yder-10 ligere to redundante modulationssignaler, som dannes af to bitord, som afledes af det sande bitord og kodes således, at der ved demodulation af de redundante modulationssignaler fejlfrit kan detekteres, hvilke sande bitord, der er overført.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendeteg net ved, at der ved modulation af trecifrede bitord tilknyttes nulsignalet til bitordet 000, der dannes ved udsendelse af ingen af de tre indbyrdes 120° faseforskudte bærebølgesvingninger og til bitordet 20 111r som dannes ved kombination af alle tre bære bølgesvingninger med samme amplitude.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendete g-' n e t ved, at indhyllingskurverne for de to redundante modulationssignaler og det til det sande bitord til-25 knyttede modulationssignal er faseforskudt 120° i forhold til hinanden.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, at indhyllingskurverne er henholdsvis sinus og cosinus bølger.