DE3121146A1

DE3121146A1 - Digitales funksystem

Info

Publication number: DE3121146A1
Application number: DE19813121146
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Ing. 8084 Inning Schwarz; Theodor Dipl.-Ing. 8890 Aichach Schwierz; Bernd Dipl.-Ing. 8032 Lochham Sommer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-05-27
Filing date: 1981-05-27
Publication date: 1983-01-05
Also published as: EP0065764B1; NO157880B; JPS57199356A; US4628517A; ZA823649B; AU8419582A; EP0065764A3; NO157880C; CA1198169A; NO821581L; AU530445B2; DE3121146C2; ATE18839T1; EP0065764A2; AR229991A1

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 81 P 6 8 8 7 DE

Digitales Funksystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein digitales Funksystem, insbesondere für Troposcatter- und Kurwellenverbindungen, bei dem sendeseitig das digitale Nutzsignal in Form einer Frequenzmodulation einem radiofrequenten Träger aufgeprägt und empfangsseitig nach einer geeigneten Demodulation des empfangenen Trägers, für ihre weitere Verarbeitung zur Verfügung steht und bei dem zur Bekämpfung der insbesondere durch Selektivfadings" auf GrundjronMehrwegeausbreitung bedingten Übertragungsstörungen von einem Frequenz-Diversity Gebrauch gemacht ist.

Selektive Fadings, verursacht durch Mehrwegeausbreitung, insbesondere bei Troposcatter- und Kurzwellenverbindungen, begrenzen die Verfügbarkeit solcher Strecken für die Übertragung von digitalen Nachrichten. Wie beispielsweise die DE-PS 26 28 997 zeigt, führen Mehrwegewellenausbreitungen bei der Übertragung digitaler frequenzmodulierter Datenströme, besonders bei Verwendung von Rundstrahlantennen, unter bestimmten Umständen zu schwerwiegenden Empfangsstörungen. Die von der Sendeantenne abgestrahlten Wellenfronten treffen dabei auf Grund von Reflexionen aus verschiedenen Richtungen mit unterschiedlichen Laufzeiten auf die Empfangsantenne. Infolge der vektoriellen Addition dieser Wellenfronten erleidet die Antennenfußpunktspannung einen sowohl frequenzabhängigen als auch ortsabhängigen Amplituden- und Phasengang. Für viele Frequenzen und Orte bedeutet diese Energieverteilung

Jae 1 Mai /26.05.81 7 Ausfertigungen

^. Ausfertigung

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infolge der durch sie verursachten Verzerrungen und Energieabsenkungen (Minima) den Verlust der Lesbarkeit digitaler Empfangssignale. Bei fest vorgegebenen Ortungspunkten von Sender und Empfänger ergibt die frequenzabhängige Energieverteilung eine Aufeinanderfolge von relativ schmalen Energieminimas und relativ breiten Energiemaximas. Der Frequenzabstand zwischen zwei aufeinander folgenden Maxima bzw. Minima wird dabei als Kohärenzbandbreite der Funkstrecke bezeich-

.10 net. ΖμΓ Sicherung der Nutzsignalübertragung ist es beispielsweise durch die DE-AS 25 58 557 bekannt, von sogenannten "Diversity-Maßnahmen" Gebrauch zu machen. Hierbei wird die Eigenschaft ausgenutzt, daß bei verschiedenen Radiofrequenzen nicht gleichzeitig der geschilderte Pegeleinbruch erfolgen wird (Frequenz-Diversity) und daher eine Parallelübertragung auf zwei oder mehr Frequenzen die Sicherheit gegen Ausfälle erhöht. Neben Frequenz-Diversity gibt es auch das sogenannte Raum-Diversity, bei dem die Empfangsantennen mit ausreichendem Abstand aufgebaut werden, so daß durch andere Laufzeitverhältnisse diese Mehrwegeef- · fekte mit einer .wesentlich geringeren Wahrscheinlichkeit auftreten. .Diversity-Verfahren sind aufgrund der Redundanz mit zum Teil erheblichen Aufwendungen verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein mit Frequenz-Diversity ausgerüstetes Funksystem der einleitend beschriebenen Art eine spezielle Lösung anzügeben, die bei der zu fordernden Redundanz mit einem Minimum an hierfür erforderlichem technischen Aufwand auskommt.

Ausgehend von dem einleitend beschriebenen Funksystem wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im

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kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß die Abstützung des zu übertragenden digitalen Nutzsignals auf ein Radiofrequenzraster recht einfach im Frequenzmodulator im Zusammenwirken mit einer Zusatzgrundschwingung gewonnen werden kann,, deren Frequenz den Rasterabstand bestimmt. Das radiofrequente

10. Summensignal weist dabei eine Httllkurve auf, die keine Amplitudenmodulations-Anteile enthält. Dieses Signal kann in außerordentlich einfacher Weise, beispielsweise in einem nichtlinearen C-Verstärker, auf die nötige Sendeleistung verstärkt werden, ohne daß hier-5 durch Verzerrungseffekte zu befürchten sind. Auch an den empfangsseitigen Zwischenfrequenzverstärker nach der Selektion eines Raster-Teilsignals brauchen hier keine die Linearität betreffenden Anforderungen gestellt werden, da jedes der Teilsignale ein reines FM-Signal ist.

Besonders günstige Verhältnisse werden erreicht, wenn die radiofrequenten nutzsignalmodulierten Träger des Frequenzrasters unter Berücksichtigung der Besselfunktionen und deren Phase für wenigstens annähernd gleiche Amplitude festgelegt sind und hierzu die Zusatzgrundschwingung und gegebenenfalls weitere Zusatzoberschwingungen in der Amplitude und die Zusatzoberschwingungen zusätzlich auch in ihrer Phase einstellbar sind. Dabei kann wenigstens eine Zusatzoberschwingung zur Kompensation unerwünschter Nebenlinien des radiofrequenten Frequenzrasters vorgesehen sein.

Wie weitere_s der Erfindung zugrundeliegende Überlegungen ergeben haben, ist es sinnvoll, das radio-

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frequente Sendespektrum in seiner Breite in etwa gleich der halben auftretenden Kohärenzbandbreite zu wählen, weil dann mit Sicherheit erreicht ist, daß bei Auftreten eines durch Mehrwegeausbreitung auftretenden selek-

5■ tiven Pegeleinbruchs lediglich einer der radiofrequenten nutzsignalmodulierten Träger des Frequenzrasters erfaßt wird, während die restlichen nutzsignalmodulierten radiofrequenten Träger weitgehend ungestört bleiben. Dies ergibt sich dadurch, daß, wie schon einlei-

10' tend darauf hingewiesen wurde, die Energieverteilung über der Frequenz bei Mehrwegeausbreitung relativ schmalbandig ausgebildete Pegelminima, jedoch relativ breit ausgebildete Pegelmaxima aufweist.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden.

In der Zeichnung bedeuten

. Fig. 1 das Blockschaltbild der Sendeseite eines Funksystems nach der Erfindung, Fig. 2 das Blockschaltbild der Empfangsseite eines Funksystems nach der Erfindung,

Fig. 3 und 4 die Funktion des sendeseitigen Block-Schaltbildes nach Fig. 1 näher erläuternde Frequenzdiagramme,

Fig. 5 ein weiteres, die Wahrscheinlichkeitsfunktion des Empfangspegels in Abhängigkeit der Verfüg-· barkeit eines Radiofrequenzkanals in % angebendes Diagramm.

Die in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte.Sendeseite S weist eine Datenquelle DQ auf, die ausgangsseitig über den Tiefpaß TP mit der Addierstufe AS verbunden ist. Die Addierstufe AS erhält von der

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•Zusatzgrundschwingung mit d©r FT^qwaaz fzo sowie Zusatzoberschwingungen der Frequenzen fz1 fis fzn zugeführt. In den Zuleitungen der Zusatzgruadsehwingung und der Zusatzoberschvfingraagen sind eiaetelltere Dämpfungs« glieder a_Qf a^ .. <> a_n raad in den Zuleitungen für die Zusatzoberschwingungen weiterhin einstellbare Phasen=- dreiiglieder K ... b angeordnet_o Das Suimensignal, bestehend aus dem von der Datenquelle DQ gelieferten digitalen Nutzsignal, der Zusatzgrundschwingung und den Zusatzoberschwinguagen_p wird dem Fpogquenzmodulator M eingangssei tig stage führt, der aus einem in der Frequenz modulierbaren Hochfrequenzoszillator besteht» Dam Modulatorausgang ist die Seaderendstufe SE nachgeschaltet, die "vorzugsweise ©in C-Verstärker ist. Die Senderendstufe SE arbeitet ausgaßgsseitig auf die Antenne A.

Die Dämpfungsglieder a_Q, a^ <.»<, @_n dienen der Einstellung des durch die Zusatzgnmdschwingung und die Zusatzoberschwingungen jeweils bedingten Frequenzhubs» Die einstellbaren Phasendrehblieder b^ .„. b dienen zusätzlich der Einstellung der Phase der Zusatzober-= schwingungen. Die Frequenz,£20 der Zusatzgrundschwingung bestimmt den Abstand des modulatorausgangsseitigen radiofrequenten Prequenzrasters. Unter Berücksichtigungder die Frequenzmodulation beschreibenden Sesselfunktionen sowie deren Phasen_släßt sich das modulatorausgangsseitige radiofrequente Frequenzraster so einstellen, daß sämtliche Rasterlinien im gegenseitigen Abstand der Frequenz fzo gleiche Amplitude.haben» Darüber hinaus können ein© ester zwei der höchstwertigen Zusatzoberschwingungen auch dazu-benutzt werden, durch entsprechende Einstellung ihrer Därapfungsglieder und Phasendrehglieder imerminsehte Nebenspektrallinien des

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gewünschten radiofrequenten Frequenzrasters wenigstens annähernd zu kompensieren.

Das sendeseitig abgestrahlte frequenzmodulierte Frequenzspektrum, bei dem ^eder radiofrequente Träger mit der digitalen Nutzinformation in der Frequenz moduliert ist, weist in seiner Hüllkurve keine Amplitudenmodulationsanteile auf, so daß sende- und empfangsseitig auch nichtlineare Verstärker verwendet werden können, ohne daß Verzerrungseffekte befürchtet werden müssen.

Das an' der Antenne A des die Empfangsseite E darstellenden Blockschaltbildes nach Fig 2 ankommende, frequenzmodulierte. Summensignal wird im Empfangsverstärker EV verstärkt, anschließend im ersten Empfangsumsetzer EU1 mit Hilfe der vom Oszillator U1 gelieferten Schwingung in eine niedere Frequenzlage umgesetzt und einem selektiven Verstärker SV zugeführt. Auf der Ausgangsseite des selektiven Verstärkers SV wird das empfangene umgesetzte frequenzmodulierte Signal auf eine der Anzahl der Rasterfrequenzen des Frequenzrasters entsprechende Anzahl von Kanälen aufgeteilt, in denen die frequenzmodulierten Trägerfrequenzen jeweils auf die gleiche Zwischenfrequenz umgesetzt werden. Hierzu besteht jeder dieser Kanäle K , K₁ S ^Kn- ^aus ^e^^TLem eingangsseitigen Umsetzer U, dem ein Bandpaß BP und ein Verstärker V nachgeschaltet sind. Die zueinander kohärenten Umsetzschwingungen mit den Frequenzen f_Q, f_{1 +} ... f_n+, ^_- ... f_Q_ liefert die Oszillatoranordnung OA. Der gegenseitige Frequenzabstand der Umsetzschwingungen ist dabei gleich der Frequenz fzo der sendeseitigen Zusatzgrundschwingung. Die Kanäle K_Q, K₁₊ ... K_n+, K_1- ... K_n- werden ausgangsseitig im KombinatorK so zusammengefaßt, daß das Ausgangssummensignal einen optimalen Signal-Geräusch-

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abstand aufweist. Das so gebildete Summensignal am Ausgang des Kombinators K wird im zweiten Umsetzer EU2 mit dem Umsetzoszillator 02 in die Basisbandlage umgesetzt, anschließend im Demodulator DJs demoduliert und das so zurückgewonnene ursprüngliche digitale Nutzsignal der Datensenke DS zugeführt.

Fig. 3 zeigt das Spektraldiagramm·am Ausgang des Frequenzmodulators M nach Fig. 1 für eine Zusatzgrundschwingung der Frequenz 3 MHz ohne Nutzsignäl und ohne Zusatzoberschwingungen. Wie dieses Diagramm erkennen läßt, ergibt sich hierbei ein Frequenzraster aus Spektrallinien mit einem gegenseitigen Abstand von 3 MHz. Durch geeignete Einstellung des Frequenzhubes wird für drei Spektrallinien eine gleiche Amplitude erreicht, an die sich auf beiden Seiten eine um ca. 25 dB gedämpfte Nebenlinie anschließt. Durch entsprechende Einstellung des Frequenzhubes wäre es auch möglich, abgesehen von den gedämpften Nebenlinien,ein Frequenzraster mit zwei Spektrallinien im. Abstand von 6 MHz zu erzeugen. '

Das aus diesen drei Radiofrequenzen gleicher Amplitude als Nutzträger bestehende Frequenzraster mit einer Gesamtbreite von 6 MHz entspricht z.B. etwa der halben Kohärenzbandbreite einer Troposcatterverbindung. Auftretende selektive Pegeleinbrüche können somit nur einen der radiofrequenten Träger praktisch unterdrücken, während die beiden übrigen "weitgehend ungestört bleiben.

Das in Fig. 4 gezeigte Signalspektrum entspricht dem nach Fig. 3· mit dem Unterschied, daß nunmehr das eigentliche Nutzsignal über die Addierstufe AS in Fig. 1 ebenfalls dem Freqüenzmodulator zugeführt wird. Wie Fig. 4 erkennen läßt,- ist Jeder der radiofrequenten

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Träger im Abstand von 3 MHz in gleicher Weise mit dem Nutzsignal in der Frequenz moduliert.

Wie im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 dargelegt worden ist, können mit Hilfe von Zusatzoberschwingungen die Anzahl der im Frequenzraster vorhandenen radiofrequenten Träger auf fünf, sieben, neun usw. erhöht werden. Weiterhin ist es möglich, mit Hilfe von Zusatzoberschwingungen auch unerwünschte Nebenlinien des Spektrums, wie sie das Frequenzspektrum nach den Fig. 3 und 4 aufweist, wenigstens annähernd zu unterdrücken.

Die Aufteilung des digitalen Nutzsignals durch die erfindungsgemäße spezielle FM-Modulation auf beispielsweise drei äquidistante Radiofrequenzträger nach Fig.'3 und 4 bedingt eine Leistungsreduktion eines Jeden Trägers um ca. 4,8 dB gegenüber der Verwendung eines Einzelträgers. Unter Berücksichtigung des niedrigeren Energieinhalts einer Spektrallinie (4,8 dB bei drei radiofrequenten Träger) sind im Diagramm der Fig.5 Wahrscheinlichkeitskurven für den zu erwartenden Summen-Nutzpegel dargestellt. Das Diagramm nach Fig. 5 enthält zwei Gruppen von Kurvenscharen, die jeweils den zu erwartenden Signalpegel in Abhängigkeit der Kanalverfügbarkeit in den Grenzen von 0,1 bis 99 % aufzeigen. Die strichpunktierte Kurvenschar WK gibt Vergleichskurven eines üblichen mit und ohne Frequenz-Diversity arbeitenden Funksystems an, während die ausgezogenen mit 1, 2 und 3 bezeichneten Kurven die mit dem System nach der Erfindung erreichten Ergebnisse verdeutlichen.

Die WahrscheinlichkeitskurVe WK mit dem FDM-Diversity-• grad D = 1 gibt den Verlauf des Raleighkanals an. Die entsprechende Wahrscheinlichkeitskurven WK für einen

VPA 81 P 6 8 8 7 QE Diversitygrad D = 2 und einen Diversitygrad D = k zeigen die entsprechende Verbesserung des Empfangsverhaltens bei Anwendung eines zwei- oder vierfachen Fre~ quenz-Diversitys. Die Kurven 1, 2 und 3 unterscheiden sich voneinander lediglich durch die belegte Spreizbandbreite. Bei der Kurve 1 beträgt die Spreibandbreite 19 MHz, bei der Kurve 2 12 MHz und bei der Kurve 3 6 MHz. Vie dem Diagramm nach Fig. 5 zu entnehmen ist, lassen sich beim vorliegenden Beispiel mit einem drei Träger aufweisenden Frequenzraster bei 99,9 % Verfügbarkeit des Systems äquivalente FDM-Diversitygrade von D » 2 bis D » 3 realisieren. Die Reduktion des Schwundverhaltens gegenüber dem Raleighkanal beträgt dabei 15 bis 20 dB, so daß beim Ausführungsbeispiel lediglich mit 3 bis 8 dB Restschwund gerechnet zu werden braucht. Bei Verwendung von Frequenzrastern mit mehr als drei Radiofrequenzen, deren Frequenzbandbreite dann auch größer sein kann als die Hälfte einer Kohärenzbandbreite des Systems, läßt sich die Reduktion des Schwundverhaltens gegenüber dem Raleighkanal weiter verbessern.

4 Patentansprüche

5 Figuren

Claims

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Patentansprüche

M J Digitales Funksystem, insbesondere für Troposcatter- und Kurzwellenverbindungen, bei dem sendeseitig das digitale Nutzsignal in Form einer Frequenzmodulation einem radiofrequenten Träger aufgeprägt und empfangsseitig nach einer geeigneten Demodulation des empfangenen Trägers für ihre weitere Verarbeitung zur Verfügung steht und bei dem zur Bekämpfung der insbesondere durch Selektivfadings auf Grund von Mehrwegeausbreitung bedingten Übertragungsstörungen von einem Frequenz-Diversity Gebrauch gemacht ist, dadurch gekennzeichnet , daß zur Abstützung des zu übertragenden digitalen Nutzsignals auf ein Frequenzraster mit wenigstens zwei Radiofrequenzen sendeseitig das digitale Nutzsignal zusammen mit wenigstens einer Zusatzschwingung, und .zwar einer die Frequenz (fzo) des Rasterabstandes im radiofrequenten Frequenzraster festlegenden Zusatzgrundschwingung, dem Eingang des Frequenzmodulators (M) zugeführt ist, daß ferner empfangsseitig die jeweils mit dem Nutzsignal modulierten radiofrequenten Träger des Frequenzrasters in Umsetzern (U) mittels zueinander kohärenter Schwingungen einer Umsetzoszillatoranordnung (OA) in eine gleiehe Frequenzlage umgesetzt und anschließend über einen Kombinator (K) hinweg zu einem einen optimalen Signal-Geräuschabstand aufweisenden Summensignal wiederum zusammengefaßt sind.
2. Digitales Funksystem nach Anspruch 1, dadurc h gekenn ze ichnet , daß die radiofrequenten nutzsignalmodulierten Träger des Frequenzrasters unter Berücksichtigung der Besselfunktionen und deren Phase für wenigstens annähernd gleiche Amplituden festgelegt

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sind und hierzu die Zusatzgrundschwingung und gegebenenfalls weitere Zusatzoberschwingungen in der Amplitude und die Zusatzoberschwingungen zusätzlich auch in ihrer Phase einstellbar sind. _v
3. Digitales Funksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Zusatzoberschwingung zur Kompensation unerwünschter Nebenlinien des radiofrequenten Frequenz- rasters vorgesehen ist.
4. Digitales Funksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das radiofrequente Sendespektrum in seiner Breite in etwa gleich der halben auftretenden Kohärenzbandbreite ist.