DE2540473C3

DE2540473C3 - Modulations- und Filtervorrichtung

Info

Publication number: DE2540473C3
Application number: DE2540473A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Arie Van Essen; Petrus Josephus Van Gerwen; Wilfred Andre Maria Snijders; Nicolaas Alphonsus Maria Verhoeckx
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-09-12
Filing date: 1975-09-11
Publication date: 1978-10-26
Also published as: FR2285032B1; NL168099B; JPS5153444A; NL168099C; JPS555942B2; IT1042394B; AU496789B2; DE2540473A1; US4003002A; AU8460775A; FR2285032A1; SE404118B; SE7509996L; CA1063178A; NL7412095A; DE2540473B2; BE833281A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Modulations- und Filtervorrichtung für digitale Signale, die Mittel zur Filterung der digitalen Signale und Mittel zum Aufmodulieren der gefilterten digitalen Signale auf eine Modulationsträgerwelle enthält.

Datensignale, die aus einer Reihenfolge von Signalelementen gleicher Dauer bestehen, deren Amplitude eine binäre »0« oder eine binäre »1« darstellt, eignen sich nicht ohne weiteres zur Übertragung über z. B. einen Fernsprechkanal. Es ist in der Praxis denn auch üblich geworden, sogenannte »Modems« zu verwenden, in denen die Datensignale beim Aussenden einer Trägerwelle aufmoduliert und bei Empfang des modulierten Signals demoduliert werden.

Jede der bekannten Modulationstechniken, wie FSK. PSK. AM-DSB. AM-SSB. AM-VSB. kann zur Erzielung eines derartigen Frequenzspektrums verwendet werden, daß dieses über einen Fernsprechkanal übertragen werden kann.

Die Erfindung gründet sich auf Untersuchungen auf dem Gebiet eines 2400 Baud-AM-VSB-Modems. aber beschränkt sich nicht auf eine solche Vorrichtung, weil dieselben Prinzipien für andere Datengeschwindigkeiten und für andere lineare Modulationsverfahren, wie AM-DSB. AM-SSB. FSK (Modulationsindex ^) und

PSK. verwendet werden können. Obgleich nachstehend \on einem 2400 Bit/sec-AM-VSB-Modem und von der Erweiterung desselben zu einem 4800 Bit/sec-AM-VSB-Modem die Rede sein wird, soll dies nicht als eine Beschränkung der Anwendungsmöglichkeiten der Prinzipien nach der Erfindung interpretiert werden.

Nach einem in üblichen AM-VSB-Modems vielfach angewandten Verfahren werden die Datcnsignalc zunächst in einem Tiefpaß gefiltert. Die gefilterten Signale werden in der Amplitude einer Trägerwelle aufmoduliert, und \on den Scitenbändern des modulierten Signals wird ein Seitenband zuzüglich eines Teils des anderen .Seitenbandes von einem Restseitenbandl'ilter ausgewählt, dessen Aiisgangssiginil nusgesaiHli wird.

Der Tiefpaß führt eine Begrenzung des Frequenzspektrums der Datensignale auf der Seite der hohen Signalfrequenzen herbei. Bei der in bezug auf die höchsten Datensignalfrequenzen niedrigen Trägerfrequenz von Datenmodems für Fernsprechkanäle verhindert der Tiefpaß auch die »fold over«-Erscheinung. die auftritt, wenn hohe Signalfrequenzen nach Aufmodulierung auf die Trägerwelle in dem Bereich zu liegen kommen, den die niedrigeren Signalfrequenzen nach Modulation einnehmen.

Der Tiefpaß wird gewöhnlich als das Vormodulationsfilier und das Restseitenbandfilter als das Nachmodulationsfilter bezeichnet. Zwischen diesen beiden Filtern erfolgt die Modulation.

Das Ausgangssignal des Vormodulaiionsfilters ist ein analoges Signal, sogar wenn das Eingangssignal ein binäres Signal ist. so daß ein analoger Modulator verwendet werden muß.

Es wurde vorgeschlagen (vgl. DE-OS 17 62 122). den analogen Modulator durch eine einfache Logikschaltung zu ersetzen und die Schritte von Vormodulationsfilterung und Modulation zu vertauschen, um die binäre Form des Eingangssignals auszunutzen. Es hat sich gezeigt, daß Vertauschung dieser Schritte nur dann möglich ist. wenn die Trägerfrequenz gleich einem ganzen Vielfachen üer halben Taktfrequenz des digitalen Eingangssignals ist. Nur in diesem Falle kann die auftretende »fold-over«-Verzerrung von einem linearen Netzwerk ausgeglichen werden.

In der Praxis hat dies eine beschränkte Bedeutung, wie aus einem vorläufigen Vorschlag der CCITT für einen 4800 Bit/sec-AM-VSB-Modem hervorgeht, gemäß dem dieser Modem eine Trägerfrequenz von 2100Hz aufweisen muß. die nicht in dem genannten Verhältnis zu der Taktfrequenz (in diesem Falle 2400 Hz bei Vierpegelkodierung) steht.

Die Vertauschung der Schritte von Vormodulationsfilierung und Modulation (vgl. DE-OS .:<· 35 296). die nur in einer beschränkten Anzahl von Fällen zulässig ist. hat zur Folge, daß nur noch ein einziges Filter, und zwar das Nachmodulationsfilter, erforderlich ist. Dieses Filter kann derart entworfen sein, daß darin die »fold-over«-Verzerrung ausgeglichen wird.

Indem das Nachmodulationsfilter als binäres Transversalfilter ausgebildet wird, kann auf die vorgeschlagene Weise ein Datenmodem mit integrierten Schaltungen erhalten werden.

>o Nach einem anderen Entwicklungsgang und mit der Absicht, die Anforderungen für das Nachmodulationsfilter zu verringern, wurde vorgeschlagen, das Vormo'lulationsfilter als Bandfilter auszubilden. Dieser Vorschlag basiert auf der Tatsache, daß durch Anwendung kurzer Impulse für die Darstellung der binären Information die Signalenergicn bei den höheren Frequenzen, die ebenfalls die binäre Information vollständig darstellen, verstärkt werden. Durch das Auswählen dieser Signaikomponenten mit höheren Frequenzen wird ein derartiges Signal erhalten, daß nach Modulation die dann erhaltenen Seitenbänder auf einfache Weise getrennt werden können.

Die Erfindung bezweckt, einen Digitaldatensender /u schaffen, bei dem die Leitungsträgerfrequenz nicht gleich einem ganzen Vielfachen der halben Taktfrequenz zu sein braucht, und der mit einer Mindestanzahl technischer Mittel zu verwirklichen ist und der insbesondere die Anforderungen für das Nachmodula-

iiiiiislilier derart ν erringen, daß man mit einem einfachen RC-Netzwerk auskommen kann.

Die Modulations- und Filtervorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Signalabtasivv erte des digitalen Eingangssignals, die mit einer ersten Abtastfrequenz auftreten. Mitteln zur Erhöhung der ersten Abtastfrequenz auf eine zweite Abtastfrequenz zugeführt werden, die zweimal höher als die Modulatorträgerfrequenz ist. während die Signalabtasiwerte mit der zweiten Abtjstfrequenz in einem Modulator mit Signalabtastwerten der Modulatorirägerwclle moduliert werden, die mit derselben zweiten Abtastfrequenz auftreten, wobei die Mittel zur Erhöhung der Abtastfrequenz ein als Bandfilter ausgebildetes Digitalfilter enthalten.

In diesem Digitalsender wird die Modulatorträgerwelle mit einer Frequenz abgetastet, die zweimal höher als die Modulatorträgerfrequenz ist. so daß die Abtastwerie der Trägerwelle in Zahlenform durch die Zahlen +1.-1.-1 ...dargestellt werden können. Der Modulationsvorgang beschränkt sich dann auf eine alternierende Inversion der Signalubiastwene. die von dem Digitalbandfilter von dem digitalen Eingangssignal abgeleitet sind.

Diese digitale Modulation ist in bezug auf ihre Einfachheit mit der Modulation vergleichbar, die in dem bei dem Stand der Technik genannten System verwendet wird, in dem die Schritte von Modulieren und Filtern vertauscht wurden. In dem Digitalsender nach der Erfindung wird jedoch an die Trägerfrequenz in bezug auf die Taktfrequenz oder Abtastfrequenz des digitalen Eingangssignals keine besondere Anforderung gestellt.

Das Verhältnis zwischen der zweiten und der ersten Abtasifrequenz kann eine ganze Zahl sein, in welchem Falle das Digitalfilter als interpolierendes Filter ausgebildet werden kann. Wenn das Verhältnis nicht eine ganze Zahl ist. in welchem Falle das Verhältnis durch M/L ausgedrückt werden kann, wobei M und L durcheinander nicht teilbare ganze Zahlen sind, kann das Digitalfilter durch die Kaskadenschaltung eines interpolierenden Filters mit einem Interpolationsfaktor Λ/ und eines extrapolierenden Filters mi: einem E\trapolationsfaktor L gebildet werden. Auch ist es möglich, ein interpolierendes Digitalfilter mit einem Interpolationsfaktor M/L zu verwenden, wie in der deutschen Patentanmeldung P 25 39 532.S der Anmelderin beschrieben ist.

Referenzen

»Digital filtering of banci-limitcd signals«: Interpolation, extrapolation and distortions due to various truncations, deduction of Computation speed in digital filters«, von M. Bellangcr. J. L Daquet. G. l.epagnol. ICC Juni. 11-13.1973. S. 23-11 bis 23-1 3.

»Terminology in digital signal processing«. I. E. E. E. Transactions on Audio and Electroacoustics. Band AU-20. Nr. 5. Dezember 1972. S. 322 bis 337.

»A digital signal processing approach to interpolation« von R. W. Schäfer. L. R. R a b i η e r. Proceedings of the I. F-:. E. E.. Band 61. Nr. 6. Juni 1973. S. 642 bis 702. IJSA.-Paicntschrift 36 Il 143.

I.isle von Abkürzungen

ISK - »frequency shift keying«

PSK - »phase shift keying«

Wl - Amplitudenmodulation

I)SIJ - »double sideband'

VSH - »νcsiigal sideband«
SSB - »single sideband«

Besenreibung der Ausführungsbeispiele

> Der Digitaldatensender nach Fig. 1 enthält eine Quelle binärer Datensignale I, Die Geschwindigkeit der Datenquelle 1 wird lediglich beispielsweise auf 2400 Bit/sec gesetzt. Diese Datenquelle liefert 2400 binäre Signalelemenie pro Sekunde und jedes Signalelement

in hat eine Dauer 7"i = 1/2400 see.

Die Datenquelle 1 wird von einem Taktgeber 2 gesteuert, die der Datenquelle 1 ein Taktsignal mit einer Taktfrequenz/; = 2400 Hz zuführt.

Mit 3 ist ein Digitalfilter bezeichnet. Dieses Filter

r> kann auf bekannte Weise ausgebildet sein. Die Ausgangsabtastfrequenz des Digitalfilters ist gleich A.

Diese Frequenz wird nachstehend näher definiert. Ein Digitalfilter hat bekanntlich eine Übertragungsfunktion mit einem periodischen Verlauf, deren Periode gleich

2m der Abtasifrequenz. in diesem Falle gleich A. ist. Der Teil

der Frequen/kennlinie zwischen — - A und + » A wird

von /i'A— j /"- bis/ϊΑ-Γ = A. wiederholt, wobei π eine

:> beliebige ganze Zahl ist. Durch passende Wahl tier Filterkoefizienten kann erreicht werden, daß der Teil

der Übertragungsfunktion zwischen -- /j und +r /j

eine bestimmte gewünschte Form erhält, die /. B. der

in eines VSB-Filters entspricht.

Eine Abtastvorrichtung 4 läßt Abiastwerte des Datensignals mit der Abtastfrequenz f, = 2400 Hz in das Digitalfilter 3 zu. |edes Signalelement wird einmal abgetastet, um festzustellen, ob das Signalelcnicnt eine

Γι binäre »0« oder eine binäre »1« darstellt, und der entsprechende Wert wird in dem Digitalfilter 3 angebracht.

Mit 5 ist ein Modulator und mit 6 eine Trägcrwellenquelle bezeichnet. Diese Trägerwcllenquclle liefert mit

der Abtastfrequenz A Signalabtastwerte einer Trägerwelle mit der Trägerfrequenz =A. Diese Trägerwellen-

ab'.astwertc können in Zahlenform durch die Zahlen -t-1. — 1, +1, — 1 ... dargestellt werden. Der Modulator

4-, 5 multipliziert jeden Signalabtastwert de·, Digiialfilters

3 mit einem Trägerwellenabtastwert und führt d;is Ergebnis dem Digital-Analog-Wandler 7 zu.

Signalabtastwerte werden im Digitalfilter 3 und im Digitalmodulator 5 in Form von Kodewörtern, die

-,ο Zahlen darstellen, behandelt. Diese Kodewörtcr werden vom Digital-Analog-Wandler 7 in einen entsprechenden Ampliludenwert eines Stroms oder einer Spannung umgewandelt und normalerweise während der Abtaslpcriodc Jüf diesem Wert festgehalten. Das auf diese

-,-, Weise erhaltene quantisierte Signal wird einem Tiefpaß 8 zugeführt, der das ' Jnterseitenband des quaiiisiertcn Signals durchläßt und die anderen .Seitenbänder unterdrückt. Der Ausgang des Filters ist an eine Übertragungsleitung 9 angeschlossen.

(,o F i g. 2a zeigt scht.nalisch einen Teil des F'requen/-spcklriims e'nes aus diskreten Zeilimpulsen mil gegenseitigen Abständen 7Ί = Ι//Ί aufgebauten digitalen Signals, wie es am Ausgang der Abtastvorrichtung

4 auftritt.

f,-, I i g 2b zeigt einen Teil der I Ibcrtragtingsfiinkiion Im positive Frequenzen ties Digitalfillers 3 mn einer AusgangsaKiaslfrequenz A=Ij 800 I Iz. Der Teil für die negativen Frequenzen ist das Spiegelbild um «lic

Frequenz Null tics Teils für die positiven Frequenzen. Die »Iolding«-Frequenz =Λ beträgt biOO H/. Die Übertragungsfunktion/wischen - : /'.- iiiul + =/'· lun die

Form eines VSB-I illers fiir eine >> ί riitrci licciticn/·· 21] =4800 II/. In I' i g. 2b isl mit einer gestrichelten Linie 20 der Teil des Spektrums nach L i g. 2a dargestellt, der M)Hi VSB-RIlCi^- umfallt wird.

['ig. 2c zeigt das Frequen/spektrum eines digitalen Signals, das aus diskreten Zeitimpttlscn mit gegenseitigen Abständen J) - I /_■ besteht, die abwechselnd den Wert +- I und ■- I auf« eisen. Dieses Spektrum besieht aus Spektrallinien in Abstünden / = M 800 II/. Dies entspricht dem Spektrum der 1 rager« ellenabtastwcrte am Ausgang der Träger« ellcnquelle b.

F i g. 2d zeigt im Frequen/bei eich das Lrgebnis der Multiplikation tier Aiisgangssignalnbtastwerte des Digi tallilters j mit den 1 rager« eiienaniasiwcncii dei 1 rager« elleniiuelle β in dem Modulator 5. Die gestrichelte Linie 21 entspricht der Linie 20 der I i g. 2b und \eranschaulich! die neue Lage ties betreffenden Teils ties Irequen/speklrums des Datensignals.

Der Digital-Analog-Wandler 7 « nudelt normalerweise jeden Aiisgangssignalabtastwert des Modulators y in cm Signaleleiiieni mit einer Dauer /_■ und einer konstanten Amplitude wahrend dieser Zeitdauer um.

Dies führt in den l'requen/hereich einen -— -Form-

fakior ein. dessen erster Nullpunkt bei 13 800 II/ liegt. Durch diesen Formfaktor «erden die Komponenten höherer Frequen/ des Spektrums nach Fig. 2d bereits in bezug auf die komponenten niedrigerer Frequenz im Hand von M)O bis 2700 Hz geschwächt. Line weitere Unterdrückung kann mit Hilfe des WC-Filters 8 erziel; werden, dessen Übertragungsfunktion mit der gestrichelten Linie 22 der F i g. 2tl angedeutet ist.

Wie aus F i g. 2d hervorgehen wird, weist das Ausgangssignal des Filters 8 die Form eines YSB-Si gnals mit einer l.eiumgsträgerirequen/ von 2100Hz und zur lllustrierung einem Seitenband von 2100 W/ bis MW W/ und einem Restseitenband von 2100 bis 2700 W/

4800 Bit see-Datensender

Fin 4800 Bii sec-Datensender mit dem gleichen Freqiien/spektrum wie der 240(1 Bit sec-Datensender nach Fig. 1 kann durch Anwendung von Dibitkodieriing am Fingang des Datensenders erhalten «erden. Fntsprechend dieser Kodierung werden die Signalelemenie der Datenquelle in (iruppen von zwei Signalelemeinen unterteilt .ind werden diese in der Dibitkodiervorrichtung entsprechend der folgenden Regel kodiert:

Kingangsdibit

Ausgangsdihil

Zahlenwert

00 01 10 11

Das Digitalfilter 3 behandelt die Dibits entsprechend ihrem Zahlenwert, der in der dritten Spalte angegeben

Die Kodierung der Ausgangsdibits (n,:ii,) ist derart, daß ihr Zahlenw en durch:

V + (-I)

ansecchen ist.

Die Miiliiplizieriing eines Dibits mil einem Filterkoellizienten C\ kann nun in zwei Schritten durchgeführt weitlen: zunächst erfolgt nämlich eine Multiph/ierung M)Ii C, mit 2 und Zuordnung eines Zeichens entsprechend (-1)'". dann eine Multipli/ierung mn I und Zuordnung eines Zeichens entsprechend ( - I) Die Muliipli/ierung einer binären Zahl mit 2 entspricht einer Kommaverschiebung um eine Stelle, so _t|aß bei Anwendung ties vorgenannten Kodes stan eines Multipli/ierers eine einfache Koinmaxersehiebuiigsvor· iK'hiMnj ■ c"vi endet "erden kann.

Ikvichuni: zv\ isclien 1 .eiluniisirauerl¹Yii'iC'V und I iaiengeschw indigkeit

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, dall die l.eitungsiragerlre· i|uen/ von 2100 11/ gleich dem Unterschied zwischen uci ! lequcnz der Γι itgüi "\\ οίίοίΗμίοΐίο (» \ Oü ν-'-ίίί;¹' II/ und der Frequenz \on 4800 \{/ ist. die der Mine einer der Nvquist-Flanken des \ SU-Filters nach F i lv 2b entspricht.

Wenn nun die l.eitungslrägerfrequenz mn /. die

Frequenz der Träger« ellenqiielle f) mit -=1) und die dcv Mute der Nvquist-Flanke des Filters nach F ι >_.·. 2b entsprechende I requenz mit = M· bezeichnet wird. s;ilt die Be/ieliiing

Bei gegebener I, und I] ist die Beziehung zwischen K und /; durch die Beziehung (1) vollständig bestimmt.

Wenn in die Beziehung (I) /; =2100 11/ und /'■ = 2400 H/ eingesetzt werden, wird für K = 4 gefunden, dall /_: =" 13 800 M/ ist.

Der Faktor, um den das Digitalfilter 5 die Abtastlrequen/ erhöht, w ird dann

/,./·, =23 4. Cl

Der Faktor K darf eine ungerade Zahl sein. In diesen !"alle muli das Spektrum nach F i g. 2a um ein Interval

y nach rechts verschoben werden. Dies kann dadurcl

erzielt «erden, daß die Ausgangsabtasivverte de Abtastvorrichtung 4 abwechselnd mit -t-I und multipliziert werden.

Digitalfilter Das Digitalfilter 3 nach F i g. I mit einer Erhöhung de

Vf

.Abtastfrequenz um einen Faktor V. der im vorliegen

Lr "~

den Beispiel-j-beträgt, kann durch die Kaskadenschal

tung eines interpolierenden die Abtastfrequenz ur einen Faktor Λ/ erhöhenden Filters und eines extra polierenden die Abtastfrequenz um einen Faktor , herabsetzenden Filters gebildet werden. Die Über iragungsfunktion. die erzielt werden muß. kann dan über die beiden Filter verteilt werden.

Eine andere Möglichkeit wäre, das extrapolierend Filter durch einen Sehalter zu ersetzen, der mit eine

frequenz beiiiligl wird, die um einen laktor /.niedriger ills die Ausgangsabtastfrequenz des interpolierenden Filter isl. welcher Schulter nur einen von jeder Gruppe von /. Aiisgan£ssignalabtaslwerien dem Modtikilor 5 zuführt.

Interpolierende und extrapolierende Digitalfilier sind iin sich bekannt, und es sei hier genügend, iiiif die geahnten Referenzen /u verweisen.

Mine geeignete Ausführungsform eines inlerpolierenden Digitalfilters isl in der deutschen Palciilanmel-ιΐιιιιμ P 2^ri 39 532.8 der Anmelderin beschiieben. mif die hier ebenfalls verw lesen w ird.

Obgleich die Anmelderin darauf \eivichlel hai. an sub bekiinnle Digiliillilter /u beschreiben, sei über lienierki. dall, weil in Digiuilfiltern Ausgangssignal ablast« erte aus l-üngangssignalabtiistwcrtcn uuf liiisis um /iihlen erreichnei werden, es dem I ,nhniiinn kl;ir scm wird. d;il( das Miiltiph/ieren der Ausgiingsiihliisl

V. e!'!e des !iigi'.lilfÜ'.'.TS ? ÜV! '.Ie¹¹ "Ir:Un-lvn-lliMl;ihl:lSI ue'ten der Triigcrwellen(|iielle h in dem Digitiilfilter ? diirchgeii'ihrl u erden kiinn.

l'ilotsigiiiil

In der Praxis wird mil den modulierten Datensignalen ein Pilotsignal ίΐιιΓ der l.eilungstiägerlreciLien/(2100 II/. Cig. 2d) milgcsiindt. (iin derartiges Pilotsignal kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Min geeignetes Verfahren /um Ij/eugen des Piloisignnls ist folgendes:

Die /nhlenwerle der Signalablaslwerle. die von der Abtastvorrichtung 4 dem Digitalfilter 3 zugeführt werden, werden um einen festen Beirag erhöht. Infolgedessen entstehen im Frequen/.spcktrum nach I i g. 2a Speklnillinien bei den rrequen/.en /Ί. 2/i ... Die Spekirallinie bei 2/Ί (=4800 11/) verschiebt sieb durch Modulation mil der Spekirallinie bei MOOIIz der I rägerwellenquelle h (I ig. 2c) /u der l.eitungstriigerfrequenz von 2100 II/ (l-'ig. 2d) und bildet dort das gewünschte Pilotsignal. In dem lalle des 4800 Bit/sec-Datensenders liefert eine Umwandlung der /ahlenwerte +.J. +1. -1. j in +4. +2.0. -2 ein Pilotsignal, di's bdB unter dem maximalen Signalpegel liegt.

Hierzu 1 IJIatt Zekhnuiiiicn

Claims

Patentansprüche;

1, Modulations- und Filtervorrichtung für digitale Signale, die Mittel zur Filterung der digitalen Signale und Mittel zum Aufmodulieren der gefilterten digitalen Signale auf eine Modulationsirugerwelle enthält, dadurch gekennzeichnet, daß Signalabtastwerte des digitalen Eingangssignals, die mit einer ersten Abtastfrequenz auftreten. Mitteln zur Erhöhung der ersten Abtastfrequenz auf eine zweite Abtastfrequenz zugeführt werden, die zweimal höher als die Modulatorträgerfrequenz ist. während die Signalabtastwerte mit der zweiten Abtastfrequenz in einem Modulator (5) mit Signalabtastwerten der Modulatorträgerwelle moduliert werden, die mit derselben zweiten Abtastfrequenz auftreten, wobei die Mittel zur Erhöhung der Abtasifrequenz ein als Bandfilter ausgebildetes Digitalfilter (3) enthalten.
2. Modulations- und Filtervorrichtung nach Anspruch i. dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Pilotsignals die Zahlenwerte des digitalen Eingangssignals um einen festen Betrag erhöht werden.