DE10103479A1 - Signalempfangs- und -verarbeitungsverfahren für schnurlose Kommunikationssysteme - Google Patents
Signalempfangs- und -verarbeitungsverfahren für schnurlose KommunikationssystemeInfo
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Abstract
Bei dem Verfahren wird zunächst eine Kanalselektion eines empfangenen Signals mittels eines analogen Kanalselektionsfilters (KSF) durchgeführt, dann wird das Signal in ein digitales zeit- und wertediskretes Signal umgewandelt und schließlich wird der zeit- und wertekontinuierliche Signalverlauf anhand einer mathematischen Rekonstruktion unter Verwendung der Nulldurchgänge (t¶i¶) und der Phasenwerte DOLLAR I1 = k¶i¶ È pi/2, k¶i¶ epsilon N¶0¶} mittels eines mathematischen Rekonstruktionsalgorithmus unter Verwendung eines Funktionensystems {phi(t-k)} ermittelt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren zum Verar
beiten eines empfangenen Signals in einem schnurlosen Kommu
nikationssystem, insbesondere für ein schnurloses Telefon,
sowie eine nach dem Verfahren arbeitende Empfängerschaltung.
Schnurlose digitale Kommunikationssysteme wie beispielsweise
DECT, WDCT, Bluetooth, SWAP, WLAN IEEE802.11 benötigen zum
drahtlosen Empfang der über die Luftschnittstelle gesendeten
hochfrequenten Signale geeignete Empfänger, die in aufwands
günstiger Weise dem Demodulator ein möglichst verzerrungs
freies Basisbandsignal liefern. Neben einer hohen Empfind
lichkeit sind hierbei ein hoher Integrationsgrad, geringe Ko
sten, niedrige Stromaufnahme sowie Flexibilität hinsichtlich
der Anwendbarkeit für verschiedene digitale Kommunikationssy
steme erwünscht. Zur Ausnutzung der Vorteile der digitalen
Schaltungstechnik (keine Drifts, keine Alterung, keine Tempe
raturabhängigkeit, exakte Reproduzierbarkeit) wird dabei zu
mindest ein Teil der Empfängerschaltung in Form digitaler Si
gnalverarbeitungselemente realisiert. Sowohl im analogen Si
gnalverarbeitungsabschnitt (sogenanntes analoges Empfänger-
"Frontend") als auch im digitalen Signalverarbeitungsab
schnitt können dabei Signalverzerrungen auftreten, deren Cha
rakteristik von den verwendeten (analogen und digitalen) Si
gnalverarbeitungselementen abhängen. Derartige Signalverzer
rungen reduzieren die Leistungseffizienz des Empfängers, d. h.
sie beeinträchtigen die Empfindlichkeit bzw. die Reichweite
des Empfängers bei vorgegebener Bitfehlerrate.
Für schnurlose digitale Kommunikationssysteme werden derzeit
häufig Superheterodyn-Empfänger verwendet. Zur Erzielung ei
ner höheren Systemintegration und somit niedrigeren Systemkosten
kommen vermehrt auch Empfänger mit niedriger Zwischen
frequenz, sogenannte Low-IF-(Intermediated Frequency-)Emp
fänger oder Zero-IF-(Homodyn-)Empfänger zum Einsatz, da diese
keine externen Filter zur Spiegelfrequenzunterdrückung benö
tigen und somit eine höhere Systemintegration ermöglichen
(siehe beispielsweise DECT, Bluetooth, WDCT). Aufgrund der in
den genannten Schnurlos-Systemen verwendeten digitalen Modu
lation GFSK, für die eine Formulierung auf Basis der Fre
quenzmodulation möglich ist, kommen derzeit analoge FM-Demo
dulatoren (Frequency Modulation) basierend auf dem Limiter-
Diskriminator-Prinzip zum Einsatz. Nach dem Limiter erfolgt
eine analoge frequenzselektive Filterung zur Unterdrückung
der durch die Nichtlinearität des Limiters hervorgerufenen
höherfrequenten Störungen. Diese Filterung ist aus signal
theoretischer Sicht nicht optimal, da auch bei exakt bandbe
grenztem aufmoduliertem Signal bzw. exakt bandbegrenzter Au
genblicksphase ϕ(t) die der Filterung unterzogene komplexe
Einhüllende ei ϕ (t) nicht exakt bandbegrenzt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zum Verarbeiten eines empfangenen Signals in
einem schnurlosen Kommunikationssystem und eine entsprechende
Empfängerschaltung anzugeben, durch die eine aus signaltheo
retischer Sicht verbesserte Signalverarbeitung, insbesondere
bei digitalen Signalübertragungsverfahren wie FSK-(Frequency
Shift Keying-)modulierten Signalen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Pa
tentansprüche gelöst.
Die Erfindung beruht im wesentlichen auf dem Gedanken, daß
nach Durchführung einer Kanalselektion bei dem empfangenen
Signal das Signal in ein digitales, Zeit- und wertediskretes
Signal umgewandelt wird, und anschließend eine mathematische
Rekonstruktion des Signalverlaufs anhand der Nulldurchgänge
der komplexen Einhüllenden mittels eines mathematischen Rekonstruktionsalgorithmus
unter Verwendung eines Funktionensy
stems durchgeführt wird.
Im einzelnen weist das erfindungsgemäße Verfahren zum Verar
beiten eines empfangenen Signals in einem schnurlosen Kommu
nikationssystem die Schritte auf:
- - Durchführen einer Kanalselektion mittels eines analogen Ka nalselektionsfilters (KSF),
- - Umwandeln des Signals in ein digitales, Zeit- und wertedis kretes Signal,
- - mathematisches Rekonstruieren des Zeit- und wertekontinu ierlichen Signalverlaufs unter Verwendung der Nulldurchgän ge {ti} und der Phasenwerte {ϕ(ti) = ki.π/2, ki ∈ N0} mit tels eines mathematischen Rekonstruktionsalgorithmus unter Verwendung eines Funktionensystems {ϕ(t - k)}.
In einer Ausführungsform eines digitalen Empfängers wird eine
Frequenzumsetzung auf eine Zwischenfrequenz durchgeführt. Ge
genüber den bekannten Lösungen wird somit bei dem hier vorge
stellten Verfahren ausgenutzt, daß nach dem Limiter ein wer
tediskretes (binäres) komplexes Signal vorliegt, dessen Nutz
information in den Nulldurchgängen von I- und Q- bzw. Real-
und Imaginärteil liegt. Da dieses Signal zunächst noch zeit
kontinuierlich ist, erfolgt die Überführung in ein digitales
(Zeit- und wertdediskretes Signal) durch eine äquidistante
Tastung mit einer Abtastrate fS. Die mathematische Rekon
struktion der Augenblicksphase ϕ(t) des Signals erfolgt rein
digital ausschließlich unter Verwendung der Nulldurchgänge
und den bei geeignet gewählter Zwischenfrequenz bestimmbaren
Phasenwerte entsprechend dem weiter unten noch beschriebenen
Rekonstruktionsalgorithmus.
Abhängig von den Eigenschaften des zu rekonstruierenden Si
gnals s(t) können für das Funktionensystem {ϕ(t - k)} bei
spielsweise verschobene orthogonale sinc-Funktionen (vgl.
Shannon-Whittaker-Abtasttheorem) oder orthogonale Skalierungsfunktionen
(vgl. Wavelets) verwendet werden. Als Bei
spiel hierfür können die sogenannten Daubechies-Skalierungs
funktionen angeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch bei nicht
orthogonalen Funktionensystemen, beispielsweise bi-ortho
gonalen Funktionensystemen angewandt werden.
Um die bereits erreichte Signalqualität und die Rauschfilte
rung noch weiter zu verbessern, kann eine sich an die mathe
matische Rekonstruktion anschließende Filterung, eine soge
nannte Post-Filterung mittels eines digitalen Filters mit ei
ner vorbestimmten Systemfunktion erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Re
konstruktion der Augenblicksphase allgemeiner CPM-Signale.
Neben den oben bereits angegebenen allgemeinen Vorteilen der
digitalen Signalverarbeitung besitzt das Verfahren den Vor
teil, daß die Signalrekonstruktion bei auf die Signaleigen
schaften der Augenblicksphase angepaßter Wahl des Funktionen
systems exakt erfolgen kann. Dies ist aus signaltheoretischen
Gründen bei den üblichen Verfahren nur näherungsweise der
Fall. Desweiteren ermöglicht ein digitaler Empfänger auf der
Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Verbesserung der
Leistungseffizienz, d. h. eine Verbesserung der Empfindlich
keit bzw. der Reichweite bei vorgegebener maximaler Bitfeh
lerrate.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver
fahrens kann nach der Phasenrekonstruktion auch ein Gruppen
laufzeitentzerrer zur Entzerrung der durch das analoge Kanal
selektionsfilter hervorgerufenen Gruppenlaufzeitverzerrungen
angeordnet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie
len unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltungsbild einer nach dem er
findungsgemäßen Verfahren arbeitenden Empfänger
schaltung; und
Fig. 2 ein schematisches Schaltungsbild einer gegenüber
Fig. 1 erweiterten Empfängerschaltung; und
Fig. 3 die Skalierungsfunktion eines Daubechies-Wavelets.
Die Fig. 1 zeigt in beispielhafter Weise den Aufbau einer er
findungsgemäßen Empfängerschaltung, welche beispielsweise in
DECT-, WDCT-, Bluetooth-, SWAP-, WLAN-, IEEE802.11-Systemen
(Frequenzsprungverfahren) eingesetzt werden kann.
Ein Funksignal wird von einer Antenne A aufgefangen und über
ein Eingangsfilter F einem rauscharmen Eingangsverstärker LNA
(Low Noise Amplifier) zugeführt. Der Eingangsverstärker LNA
verstärkt das hochfrequente Antennensignal mit einer ein
stellbaren Verstärkung.
Nach der rauscharmen Verstärkung erfolgt eine Umsetzung des
verstärkten Signals auf eine Zwischenfrequenz. Zu diesem
Zweck wird das Ausgangssignal des rauscharmen Verstärkers LNA
zwei Mischern M1 und M2 zugeführt. Die Mischer M1 und M2 wer
den in bekannter Weise unter einem Phasenversatz von 90° mit
einer Mischfrequenz betrieben, welche von einem lokalen Os
zillator (nicht dargestellt) abgeleitet ist. Die beiden zum
Betreiben der Mischer M1 und M2 verwendeten Signale entspre
chen in ihrer Zeitabhängigkeit cos(ω0t) bzw. sin(ω0t), wobei
ω0 die der Oszillatorfrequenz zugeordnete Kreisfrequenz und t
die Zeit bezeichnen.
An den Ausgängen der Mischer M1 bzw. M2 stehen Inphase (I-)
und Quadratur-(Q-)Signale in einer herabgesetzten Frequenzla
ge, im folgenden als Zwischenfrequenz (ZF) bezeichnet, be
reit.
Die Ausgänge der beiden Mischer M1 und M2 werden einem I-
bzw. einem Q-Signaleingang eines analogen, zur Spiegelfre
quenzunterdrückung dienenden Kanalselektionsfilters KSF zuge
führt. Mittels des Kanalselektionsfilters KSF wird ein be
stimmter Frequenzkanal ausgewählt und dadurch das gewünschte
Nutzsignal aus dem eingangsseitig anliegenden, breitbandigen
Signal-Störsignal-Gemisch ausgewählt.
An zwei Ausgängen A1, A2 des Kanalselektionsfilters KSF wer
den die beiden I- und Q-Signalkomponenten mit der Bandbreite
des Nutzkanals ausgegeben.
Der Ausgang A1 des Kanalselektionsfilters KSF ist mit einem
Eingang eines ersten Limiters L1 verbunden und der Ausgang A2
steht mit einem Eingang eines zweiten, baugleichen Limiters
L2 in Verbindung.
Die Ausgänge der Limiter L1 und L2 sind verbunden mit jewei
ligen Eingängen einer ersten und einer zweiten Abtaststufe
AS1 bzw. AS2. Im Signalweg hinter den Abtaststufen AS1 und
AS2 beginnt die digitale Signalverarbeitung.
Die Kombination aus Limiter (L1 bzw. L2) und Abtaststufe (AS1
bzw. AS2) repräsentiert einen Analog-Digital-Wandler der
Wortbreite 1. Die Wirkungsweise dieser Kombination aus Li
miter und Abtaststufe, d. h. L1, AS1 bzw. L2, AS2, ist wie
folgt:
Der Limiter L1, L2 schneidet alle Eingangspegel oberhalb ei ner vorgegebenen Limiter-Pegelschwelle ab, d. h. er erzeugt im Abschneidebereich ein Ausgangssignal mit konstantem Signalpe gel. Weist der Limiter L1, L2, wie im vorliegenden Fall, eine hohe Verstärkung und/oder eine niedrige Limiter-Pegelschwelle auf, wird er praktisch ständig im Abschneide- oder Limiter- Bereich betrieben. Dadurch liegt am Ausgang des Limiters L1, L2 bereits ein wertediskretes (binäres), aber noch zeitkontinuierliches Signal vor. Die Nutzinformation der I- und Q- Signalkomponenten an den Ausgängen der Limiter L1 und L2 be steht in den Nulldurchgängen dieser Signalkomponenten.
Der Limiter L1, L2 schneidet alle Eingangspegel oberhalb ei ner vorgegebenen Limiter-Pegelschwelle ab, d. h. er erzeugt im Abschneidebereich ein Ausgangssignal mit konstantem Signalpe gel. Weist der Limiter L1, L2, wie im vorliegenden Fall, eine hohe Verstärkung und/oder eine niedrige Limiter-Pegelschwelle auf, wird er praktisch ständig im Abschneide- oder Limiter- Bereich betrieben. Dadurch liegt am Ausgang des Limiters L1, L2 bereits ein wertediskretes (binäres), aber noch zeitkontinuierliches Signal vor. Die Nutzinformation der I- und Q- Signalkomponenten an den Ausgängen der Limiter L1 und L2 be steht in den Nulldurchgängen dieser Signalkomponenten.
Durch die beiden als Ein-Bit-Abtaster realisierten Abtaststu
fen AS1, AS2 werden diese wertediskreten analogen Signalkom
ponenten mit einer Rate fS abgetastet. Die Abtastung erfolgt
in Überabtastung bezogen auf die Kanalbandbreite (d. h. die
Bandbreite des Signals hinter dem Kanalselektionsfilter KSF).
Beispielsweise kann die Kanalbandbreite 1 MHz betragen und
die Abtastung mit fS = 104 MHz erfolgen, d. h. es kann eine
Überabtastung um den Faktor 104 vorgenommen werden.
Ein Vorteil dieser Analog-Digital-Umsetzung besteht darin,
daß durch den Limiter L1, L2 Amplitudenstörungen des Nutzsig
nals unterdrückt werden.
Die digitalisierten I- und Q-Signalkomponenten werden einer
Phasenrekonstruktionsschaltung PRS zugeführt, in welcher eine
Rekonstruktion der Augenblicksphase ϕ(t) numerisch unter Ver
wendung der Nulldurchgänge {ti} und den bei geeignet gewähl
ter Zwischenfrequenz bestimmbaren Phasenwerten
{ϕ(ti) = ki.π/2, ki ∈ N0} entsprechend dem nachfolgenden Re
konstruktionsalgorithmus durchgeführt wird. Hier ist s(t) das
unter Verwendung eines orthogonalen Funktionensystems
{(ϕ(t - k)} zu rekonstruierende Signal.
Für das Funktionensystem {ϕ(t - k)} können beispielsweise ver
schobene orthogonale sinc-Funktionen oder orthogonale Skalie
rungsfunktionen wie Wavelets verwendet werden. In der Fig. 3
ist als Beispiel für eine Skalierungsfunktion ein Daubechies-
Wavelet der Länge 6 dargestellt. Daubechies-Skalierungs
funktionen besitzen den Vorteil eines endlichen Trägers.
Zur Verbesserung der Signalqualität und zur Rauschfilterung
kann gemäß Fig. 1 auch noch eine Post-Filterung mittels eines
digitalen Filters F2 mit der Systemfunktion Hpost(z) erfol
gen.
In der Fig. 2 ist eine gegenüber der Ausführungsform der Fig.
1 erweiterte Ausführungsform einer Empfängerschaltung darge
stellt. In dieser ist hinter der Phasenrekonstruktionsschal
tung PRS ein Gruppenlaufzeitentzerrer zur Entzerrung der
durch das analoge Kanalselektionsfilter hervorgerufenen Grup
penlaufzeitverzerrungen angeordnet. Der Gruppenlaufzeitent
zerrer besteht aus Allpassfiltern AP1 und AP2, die in den
entsprechenden Signalwegen angeordnet sind. Die I- bzw. Q-
Signalausgänge der Allpassfilter AP1, AP2 können entsprechen
den Eingängen eines geeigneten Demodulators zugeführt werden.
Im allgemeinen Fall kann es sich bei dem Demodulator um einen
CPM-(Continuous Phase Modulation-)Demodulator handeln. Dieser
schätzt aus den seinen Eingängen zugeführten Signalkomponen
ten, d. h. aus der Augenblicksphase oder der Augenblicksfre
quenz dieser Signalkomponenten, die Datensymbole der übertra
genen Datensymbolfolge.
Claims (10)
1. Verfahren zum Verarbeiten eines empfangenen Signals, ins
besondere eines digital modulierten Signals, in einem schnur
losen Kommunikationssystem, mit den Schritten:
- - Durchführen einer Kanalselektion mittels eines analogen Ka nalselektionsfilters (KSF),
- - Umwandeln des Signals in ein digitales, Zeit- und wertedis kretes Signal,
- - mathematisches Rekonstruieren des Zeit- und wertekontinu ierlichen Signalverlaufs unter Verwendung der Nulldurchgän ge {ti} und der Phasenwerte {ϕ(ti) = ki.π/2, ki ∈ N0} mit tels eines mathematischen Rekonstruktionsalgorithmus unter Verwendung eines Funktionensystems {ϕ(t - k)}.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Funktionensystem ein orthogonales Funktionensystem ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Digitalisierung des empfangenen Signals eine Signalli
mitierung und eine Überabtastung des limitierten Signals
vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Überabtastung ein Signal der Wortbreite 1 erzeugt
wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das empfangene Signal FSK-moduliert ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Signalweg hinter der mathematischen Rekonstruktion eine
Gruppenlaufzeitentzerrung durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach der Kanalselektion eine Frequenzumsetzung auf eine
Zwischenfrequenz durchgeführt wird.
8. Empfängerschaltung eines schnurlosen Kommunikationssytems,
mit
einem analogen Signalverarbeitungsabschnitt und einem digi talen Signalverarbeitungsabschnitt, wobei
im analogen Signalverarbeitungsabschnitt ein Kanalselekti onsfilter (KSF) enthalten ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
in dem digitalen Signalverarbeitungsabschnitt eine Phasen rekonstruktionsschaltung (PRS) zum mathematischen Rekon struieren des Zeit- und wertekontinuierlichen Signalver laufs unter Verwendung der Nulldurchgänge {ti} und periodi schen Phasenwerten {ϕ(ti) = ki.π/2, ki ∈ N0} mittels eines mathematischen Rekonstruktionsalgorithmus unter Verwendung eines Funktionensystems {ϕ(t - k)} enthalten ist.
einem analogen Signalverarbeitungsabschnitt und einem digi talen Signalverarbeitungsabschnitt, wobei
im analogen Signalverarbeitungsabschnitt ein Kanalselekti onsfilter (KSF) enthalten ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
in dem digitalen Signalverarbeitungsabschnitt eine Phasen rekonstruktionsschaltung (PRS) zum mathematischen Rekon struieren des Zeit- und wertekontinuierlichen Signalver laufs unter Verwendung der Nulldurchgänge {ti} und periodi schen Phasenwerten {ϕ(ti) = ki.π/2, ki ∈ N0} mittels eines mathematischen Rekonstruktionsalgorithmus unter Verwendung eines Funktionensystems {ϕ(t - k)} enthalten ist.
9. Empfängerschaltung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
im digitalen Signalverarbeitungsabschnitt ein Gruppenlauf
zeitentzerrer (AP1, AP2) zur Entzerrung zumindest der durch
das Kanalselektionsfilter (KSF) bewirkten Signalverzerrung
vorgesehen ist.
10. Empfängerschaltung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Gruppenlaufzeitentzerrer (AP1, AP2) ein Allpass-Filter
ist.
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