DE3121146C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein digitales Funksy­ stem, insbesondere für Troposcatter- und Kurzwellen­ verbindungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Selektive Fadings, verursacht durch Mehrwegeausbreitung, insbesondere bei Troposcatter- und Kurzwellenverbindun­ gen, begrenzen die Verfügbarkeit solcher Strecken für die Übertragung von digitalen Nachrichten. Wie bei­ spielsweise die DE-PS 26 28 997 zeigt, führen Mehrwege­ wellenausbreitungen bei der Übertragung digitaler fre­ quenzmodulierter Datenströme, besonders bei Verwendung von Rundstrahlantennen, unter bestimmten Umständen zu schwerwiegenden Empfangsstörungen. Die von der Sendean­ tenne 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 infolge der durch sie verur­ sachten Verzerrungen und Energieabsenkungen (Minima) den Verlust der Lesbarkeit digitaler Empfangssignale. Bei fest vorgegebenen Ortungspunkten von Sender und Empfän­ ger 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 bezeichnet. Zur 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.

Durch die EP 00 33 256 B1 wird zur Durchführung eines solchen Frequenz-Diversitybetriebs bei einem digitalen Funksystem vorgeschlagen, sendeseitig das digitale Nutzsignal zur Abstützung auf ein Frequenzraster mit wenigstens drei Radiofrequenzen zusammen mit wenigstens einer Zusatzschwingung, und zwar einer die Frequenz des Rasterabstandes im radiofrequenten Frequenzraster fest­ legenden Zusatzgrundschwingung, in additiver Form dem Eingang des Frequenzmodulators zuzuführen und auf diese Weise mehrere zueinander kohärente signalmodulierte radiofrequente Träger zu erhalten. Empfangsseitig werden die jeweils mit dem Nutzsignal modulierten radiofrequen­ ten Träger des Frequenzrasters über einen Kombinator hinweg zu einem einen verbesserten Signal-Geräuschab­ stand aufweisenden Summensignal wiederum zusammengefaßt.

Weiterhin ist es durch die Literaturstelle IEEE National Telecommunications Conference 1.-3. Dez. 1975, New Orleans, Lousiana, USA, Conference Record, Band 2, Seiten 28-6 bis 28-9 bekannt, dadurch mehrere zueinander kohärente signalmodulierte radiofrequente Träger zu erhalten, daß das sendeseitig anstehende zu übertragende digitale Nutzsignal zunächst in zwei Bitströme mit ent­ sprechend niedrigerer Bitfolgefrequenz aufgeteilt wird und jeder dieser Bitströme dann einen Subträger modu­ liert. Auf der Ausgangsseite dieser Modulatoren werden die modulierten Subträger zu einem Summensignal zusam­ mengefaßt, das dann als Modulationssignal für den eigentlichen radiofrequenten Träger unter Anwendung einer Phasenmodulation zur Verfügung steht. Diese Art der Doppelmodulation hat unter anderem den Zweck, die an sich benötigte Bandbreite für die Nutzsignalübertragung pro Träger um den Faktor 2 zu reduzieren. Abgesehen davon, daß diese Doppelmodulation einen relativ großen technischen Aufwand erfordert, müssen hier darüber hinaus die benötigten sendeseitigen Verstärker im Hinblick auf die den modulierten radiofrequenten Trägern mit aufmodulierte Amplitudenmodulation hochlineare Eigenschaften aufweisen.

Für die empfangsseitige Rückgewinnung des ursprünglichen Signals aus dem ankommenden modulierten Trägerfrequenz­ raster bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Die eine Möglichkeit besteht darin, das ankommende nutzsig­ nalmodulierte Frequenzraster zunächst in eine Zwischen­ frequenzlage umzusetzen und anschließend jedes nutz­ signalmodulierte Trägersignal für sich zu demodulieren, um die dann gewonnenen demodulierten Nutzsignale über einen Kombinator hinweg zum gewünschten optimierten Summensignal zusammenzufügen. Hiervon wird beim System nach der Literaturstelle EP 00 33 256 B1 Gebrauch gemacht.

Die zweite Möglichkeit, die durch die Literaturstelle GB 11 80 763 bekannt ist, besteht darin, jeden nutz­ signalmodulierten ankommenden Träger in eine gleiche Zwischenfrequenzlage umzusetzen und dann in dieser Zwi­ schenfrequenzlage über den ausgangsseitigen Kombinator das gewünschte Summensignal vor der eigentlichen Demo­ dulation zu gewinnen.

Die geschilderten bekannten, von Frequenz-Diversity Ge­ brauch machenden Funksysteme sind hinsichtlich der An­ zahl der Frequenzkanäle dann auf zwei bzw. drei Kanäle beschränkt, wenn, wie das wünschenswert ist, sämtliche Trägerfrequenzen des radiofrequenten Trägerspektrums wenigstens annähernd unter sich gleiche Amplituden auf­ weisen sollen. Werden hohe Anforderungen an die Be­ triebssicherheit der Signalübertragung gestellt, so kann dies durch eine Vergrößerung der Frequenzkanäle (Redundanz), beispielsweise fünf und mehr Kanäle, erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein mit Frequenz-Diversity ausgerüstetes Funksystem der letztge­ nannten Art eine spezielle Lösung anzugeben, die bei hohen Anforderungen an die 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 Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß die Abstützung des zu übertragenden digitalen Nutz­ signals auf ein Radiofrequenzraster von drei und mehr Radioträgerfrequenzen in außerordentlich einfacher Weise dadurch gewonnen werden kann, daß unter Beachtung der Besselfunktionen die Zusatzschwingung und weitere Zusatzoberschwingungen in der Amplitude, die Zusatzober­ schwingungen zusätzlich auch in ihrer Phase einstellbar sind und daß ausschließlich von einer Frequenzmodulation Gebrauch gemacht wird. Gerade durch die letztgenannte Maßnahme läßt sich nämlich in außerordentlich vorteil­ hafter Weise im Zusammenhang mit den so eingestellten Zusatzschwingungen erreichen, daß das radiofrequente Summensignal eine Hüllkurve aufweist, die keine Ampli­ tudenmodulationsanteile enthält. Dieses Signal kann näm­ lich, beispielsweise in einem nichtlinearen C-Verstär­ ker, auf die nötige Sendeleistung verstärkt werden, ohne daß hierdurch Verzerrungseffekte zu befürchten sind. Auch an die Zwischenfrequenzverstärkerebene brauchen hier keine die Linearität betreffenden Anforderungen gestellt werden, da das umgesetzte Frequenzraster bzw. jede umgesetzte radiofrequente Trägerfrequenz ein reines FM-Signal ist. Die Verstärker können also sehr einfach ausgeführt sein und brauchen auch nicht für die Verar­ beitung von Signalspitzen bemessen werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den weiteren Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Wie weitere, der Erfindung zugrundeliegende Überle­ gungen ergeben haben, ist es sinnvoll, das radio­ frequente Sendespektrum in seiner Breite in etwa gleich der halben auftretenden Kohärenzbandbreite zu wählen, weil dann mit Sicherheit erreicht ist, daß bei Auftre­ ten eines durch Mehrwegeausbreitung auftretenden selek­ tiven Pegeleinbruchs lediglich einer der radiofrequen­ ten nutzsignalmodulierten Träger des Frequenzrasters erfaßt wird, während die restlichen nutzsignalmodulier­ ten radiofrequenten Träger weitgehend ungestört blei­ ben. Dies ergibt sich dadurch, daß, wie schon einlei­ 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 Ausfüh­ rungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden.

In der Zeichnung bedeuten

Fig. 1 das Blockschaltbild der Sendeseite eines Funk­ systems 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 % angeben­ des Diagramm.

Die in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte Sende­ seite S weist eine Datenquelle DQ auf, die ausgangs­ seitig über den Tiefpaß TP mit der Addierstufe AS verbunden ist. Die Addierstufe AS erhält von der Generatoranordnung GA an ihren weiteren Eingängen eine Zusatzgrundschwingung mit der Frequenz fzo sowie Zu­ satzoberschwingungen der Frequenzen fz 1, fis, fzn zuge­ führt. In den Zuleitungen der Zusatzgrundschwingung und der Zusatzoberschwingungen sind einstellbare Dämpfungs­ glieder a _o , a ₁ . . . a _n und in den Zuleitungen für die Zusatzoberschwingungen weiterhin einstellbare Phasen­ drehglieder b ₁ . . . b _n angeordnet. Das Summensignal, bestehend aus dem von der Datenquelle DQ gelieferten digitalen Nutzsignal, der Zusatzgrundschwingung und den Zusatzoberschwingungen, wird dem Frequenzmodula­ tor M eingangsseitig zugeführt, der aus einem in der Frequenz modulierbaren Hochfrequenzoszillator besteht. Dem Modulatorausgang ist die Senderendstufe SE nach­ geschaltet, die vorzugsweise ein C-Verstärker ist. Die Senderendstufe SE arbeitet ausgangsseitig auf die Antenne A.

Die Dämpfungsglieder a _o , a ₁ . . . a _n dienen der Einstel­ lung des durch die Zusatzgrundschwingung und die Zu­ satzoberschwingungen jeweils bedingten Frequenzhubs. Die einstellbaren Phasendrehglieder b ₁ . . . b _n dienen zusätzlich der Einstellung der Phase der Zusatzober­ schwingungen. Die Frequenz fzo der Zusatzgrundschwin­ gung bestimmt den Abstand des modulatorausgangsseitigen radiofrequenten Frequenzrasters. Unter Berücksichtigung der die Frequenzmodulation beschreibenden Bessel­ funktionen sowie deren Phasen, läßt sich das modulator­ ausgangsseitige radiofrequente Frequenzraster so ein­ stellen, daß sämtliche Rasterlinien im gegenseitigen Abstand der Frequenz fzo gleiche Amplitude haben. Darüber hinaus können eine oder zwei der höchstwertigen Zusatzoberschwingungen auch dazu benutzt werden, durch entsprechende Einstellung ihrer Dämpfungsglieder und Phasendrehglieder unerwünschte Nebenspektrallinien des gewünschten radiofrequenten Frequenzrasters wenigstens annähernd zu kompensieren.

Das sendeseitig abgestrahlte frequenzmodulierte Fre­ quenzspektrum, bei dem jeder radiofrequente Träger mit der digitalen Nutzinformation in der Frequenz modu­ liert ist, weist in seiner Hüllkurve keine Amplituden­ modulationsanteile auf, so daß sende- und empfangssei­ tig auch nichtlineare Verstärker verwendet werden kön­ nen, ohne daß Verzerrungseffekte befürchtet werden müssen.

Das an der Antenne A des die Empfangsseite E darstel­ lenden Blockschaltbildes nach Fig. 2 ankommende fre­ quenzmodulierte Summensignal wird im Empfangsverstär­ ker EV verstärkt, anschließend im ersten Empfangsum­ setzer EU 1 mit Hilfe der vom Oszillator U 1 geliefer­ ten 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 Frequenz­ rasters entsprechende Anzahl von Kanälen aufgeteilt, in denen die frequenzmodulierten Trägerfrequenzen je­ weils auf die gleiche Zwischenfrequenz umgesetzt wer­ den. Hierzu besteht jeder dieser Kanäle K _o , K ₁₊ . . . K _{n +}, K _1- . . . K _{n -} aus einem eingangsseitigen Umsetzer U, dem ein Bandpaß BP und ein Verstärker V nachgeschaltet sind. Die zueinander kohärenten Umsetzschwingungen mit den Frequenzen f _o , f ₁₊ . . . f _{n +}, f _1- . . . f _{n -} liefert die Oszillatoranordnung OA. Der gegenseitige Frequenz­ abstand der Umsetzschwingungen ist dabei gleich der Frequenz fzo der sendeseitigen Zusatzgrundschwingung. Die Kanäle K _o , K ₁₊ . . . K _{n +}, K _1- . . . K _{n -} werden aus­ gangsseitig im Kombinator K so zusammengefaßt, daß das Ausgangssummensignal einen optimalen Signal-Geräusch­ abstand aufweist. Das so gebildete Summensignal am Ausgang des Kombinators K wird im zweiten Umsetzer EU 2 mit dem Umsetzosillator O 2 in die Basisbandlage umgesetzt, anschließend im Demodulator DM demoduliert und das so zurückgewonnene ursprüngliche digitale Nutzsignal der Datensenke DS zugeführt.

Fig. 3 zeigt das Spektralamplitudendiagramm am Ausgang des Fre­ quenzmodulators M nach Fig. 1 für eine Zusatzgrund­ schwingung der Frequenz 3 MHz ohne Nutzsignal und ohne Zusatzoberschwingungen. Wie dieses Diagramm erkennen läßt, ergibt sich hierbei ein Frequenzraster aus Spek­ trallinien mit einem gegenseitigen Abstand von 3 MHz. Durch geeignete Einstellung des Frequenzhubes wird für drei Spektrallinien eine gleiche Amplitude er­ reicht, an die sich auf beiden Seiten eine um ca. 25 dB gedämpfte Nebenlinie anschließt. Durch entsprechende Einstellung des Frequenzhubes wäre es auch möglich, ab­ gesehen von den gedämpften Nebenlinien, ein Frequenzra­ ster mit zwei Spektrallinien im Abstand von 6 MHz zu er­ zeugen.

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

Das in Fig. 4 gezeigte Signalamplitudenspektrum entspricht dem nach Fig. 3 mit dem Unterschied, daß nunmehr das eigent­ liche Nutzsignal über die Addierstufe AS in Fig. 1 ebenfalls dem Frequenzmodulator zugeführt wird. Wie Fig. 4 erkennen läßt, ist jeder der radiofrequenten 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 radiofrequen­ ten Träger auf fünf, sieben, neun usw. erhöht werden. Weiterhin ist es möglich, mit Hilfe von Zusatzober­ schwingungen auch unerwünschte Nebenlinien des Spek­ trums, wie sie das Frequenzspektrum nach den Fig. 3 und 4 aufweist, wenigstens annähernd zu unterdrücken.

Die Aufteilung des digitalen Nutzsignals durch die er­ findungsgemäße spezielle FM-Modulation auf beispiels­ weise 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 niedri­ geren Energieinhalts einer Spektrallinie (4,8 dB bei drei radiofrequenten Träger) sind im Diagramm der Fig. 5 Wahrscheinlichkeitskurven für den zu erwartenden Sum­ men-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% auf­ zeigen. Die strichpunktierte Kurvenschar WK gibt Ver­ gleichskurven 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 Ergeb­ nisse verdeutlichen.

Die Wahrscheinlichkeitskurve WK mit dem FDM-Diversity­ grad D = 1 gibt den Verlauf des Rayleighkanals an. Die entsprechende Wahrscheinlichkeitskurven WK für einen Diversitygrad D = 2 und einen Diversitygrad D = 4 zei­ gen die entsprechende Verbesserung des Empfangsver­ haltens bei Anwendung eines zwei- oder vierfachen Fre­ quenz-Diversitys. Die Kurven 1, 2 und 3 unterscheiden sich voneinander lediglich durch die belegte Spreizband­ breite. Bei der Kurve 1 beträgt die Spreizbandbreite 19 MHz, bei der Kurve 2 12 MHz und bei der Kurve 3 6 MHz. Wie dem Diagramm nach Fig. 5 zu entnehmen ist, lassen sich beim vorliegenden Beispiel mit einem drei Träger aufweisenden Frequenzraster bei 99,9% Verfüg­ barkeit 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 Frequenzbandbrei­ te dann auch größer sein kann als die Hälfte einer Kohärenzbandbreite des Systems, läßt sich die Reduk­ tion des Schwundverhaltens gegenüber dem Raleighkanal weiter verbessern.

Claims (4)

1. Digitales Funksystem, insbesondere für Troposcatter- und Kurzwellenverbindungen, bei dem sendeseitig das digitale Nutzsignal zur Abstützung auf ein Frequenzra­ ster mit wenigstens drei Radiofrequenzen zusammen mit wenigstens einer Zusatzschwingung, und zwar einer die Frequenz des Rasterabstandes im radiofrequenten Fre­ quenzraster festlegenden Zusatzgrundschwingung, in additiver Form dem Eingang des Frequenzmodulators zugeführt ist und bei dem empfangsseitig die jeweils mit dem Nutzsignal modulierten radiofrequenten Träger des Frequenzrasters über einen Kombinator (K) hinweg zu einem einen verbesserten Signal-Geräuschabstand aufweisenden Summensignal wiederum zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die radiofrequenten nutzsignalmodulierten Träger des Frequenzrasters unter Berücksichtigung der Besselfunk­ tionen und deren Phase für wenigstens annähernd gleiche Amplituden dadurch festgelegt sind, daß die Zusatzgrund­ schwingung und weitere Zusatzoberschwingungen in der Amplitude und die Zusatzoberschwingungen zusätzlich auch in ihrer Phase einstellbar sind.

2. Digitales Funksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die empfangsseitig ankommenden nutzsignalmodulierten radiofrequenten Träger des Frequenzrasters zunächst in einer Umsetzoszillator­ anordnung (OA) alle in eine gleiche Frequenzlage umge­ setzt und anschließend vor ihrer Demodulation über den Kombinator (K) hinweg zum gewünschten Summensignal zusammengefaßt sind.

3. Digitales Funksystem nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß wenig­ stens eine Zusatzoberschwingung zur Kompensation uner­ wünschter Nebenlinien des radiofrequenten Frequenz­ rasters vorgesehen ist.

4. Digitales Funksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das radiofrequente Sendespektrum in sei­ ner Breite in etwa gleich der halben auftretenden Ko­ härenzbandbreite ist.