DE10124782A1 - Übermittlung und Erkennung der Modulationsart in digitalen Kommunikationssystemen mittels eines der Trainingssequenz aufgeprägten Phasenrotationsfaktors - Google Patents

Übermittlung und Erkennung der Modulationsart in digitalen Kommunikationssystemen mittels eines der Trainingssequenz aufgeprägten Phasenrotationsfaktors

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Abstract

Für eine blinde Modulationsdetektion werden senderseitig die Datensymbole der Trainingssequenz um einen für die verwendete Modulationsart spezifischen Phasenrotationsfaktor rotiert und empfängerseitig werden die Datensymbole um verschiedene Phasenrotationsfaktoren rück- oder derotiert und zwischen den dadurch erhaltenen Sequenzen und der ursprünglichen Trainingssequenz wird eine Korrelationsfunktion gebildet. Die verwendete Modulationsart ergibt sich daraus, bei welchem Phasenrotationsfaktor sich ein Maximum der Korrelationsfunktion ergibt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf di­ gitale Kommunikationssysteme, insbesondere auf Mobilfunksy­ steme. Dabei bezieht sich die Erfindung im besonderen auf ein Sende- und Empfangsverfahren und einen Empfänger in einem di­ gitalen Telekommunikationssystem nach dem Oberbegriff der un­ abhängigen Patentansprüche.
Als Übergangsstandard zwischen den Mobilfunkstandards GSM/GPRS und UMTS wurde der Standard EDGE (Enhanced Data Ra­ tes for GSM Evolution) sowie der zugehörige Paketdienst EGPRS (Enhanced GPRS) definiert. In dem EDGE-Standard wird sowohl die GMSK- als auch die 8-PSK-Modulation verwendet. Die GMSK- Modulation verwendet einen Signalraum mit den Signalpunkten +1 und -1, während bei der 8-PSK-Modulation ein Signalraum mit acht Signalpunkten verwendet wird. Wenn die bei der In­ formationsübertragung zwischen einem Sender und einem Empfän­ ger zu verwendende Modulationsart nicht fest vorgegeben ist, so muss der Empfänger über die verwendete Modulationsart in­ formiert werden.
In der WO 00/10301, welche hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird, wird ein Verfah­ ren zur Übermittlung und Erkennung der Modulationsart in di­ gitalen Kommunikationssystemen beschrieben, welches von der in einem Datenburst vorhandenen Trainingssequenz Gebrauch macht. Jeder Datenburst umfasst eine fest vorgegebene Trai­ ningssequenz bestehend aus einer dem Empfänger bekannten Ab­ folge von Datensymbolen, die im Empfänger für Zwecke der Ka­ nalschätzung eingesetzt wird. In der erwähnten Druckschrift wird vorgeschlagen, jede denkbare Modulationsart mit einem bestimmten Phasenrotationsfaktor zu kennzeichnen und die Trainingssequenz mit dem Phasenrotationsfaktor zu beaufschla­ gen, d. h. die in ihr enthaltenen Datensymbole mit dem Phasen­ rotationsfaktor zu rotieren. Vorzugsweise wird dabei derselbe Phasenrotationsfaktor verwendet, der auch für die Modulation der Nutzdaten zum Einsatz kommt. Bekanntermaßen zeichnen sich die GMSK- und die 8-PSK-Modulation durch eine unterschiedli­ che Symbolrotation aus. Während die GMSK-Modulation jedes Sendesymbol um 90 Grad weiterdreht, führt die 8-PSK-Modula­ tion eine Drehung von 67,5 Grad pro Sendesymbol aus. Die sol­ chermaßen phasenrotierten Datensymbole der übertragenen Trai­ ningssequenz können im Empfänger derart ausgenutzt werden, dass zum Beginn jeden Datenbursts die empfangene Trainingsse­ quenz in einer Anzahl von Datenpfaden um eine entsprechende Anzahl von Phasenrotationsfaktoren zurückgedreht wird. In dem genannten Beispiel der zwei Modulationsarten GMSK- und 8-PSK- Modulation wird also die empfangene Trainingssequenz um je­ weils 90 und 67,5 Grad zurückgedreht. Danach wird die empfan­ gene und zurückgedrehte Trainingssequenz mit einer Trainings­ sequenz verglichen, die mit einer aus einer Kanalschätzung gewonnenen Kanalfilterfunktion beaufschlagt wurde. Der Ver­ gleich erfolgt durch Subtraktion dieser Trainingssequenzen voneinander, Aufsummieren der quadrierten Differenzen und De­ tektion des Minimums.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass in jedem der für die Derotation mit den verschiedenen Phasenrotationsfaktoren vor­ gesehenen Datenpfade eine Kanalschätzung durchgeführt werden muss und erst nach erfolgter Kanalschätzung und Beaufschla­ gung der ursprünglichen Trainingssequenz mit den Kanalparame­ tern durch die genannte Kanalfilterfunktion der Vergleich mit der empfangenen und jeweils zurückrotierten Trainingssequenz erfolgen kann. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und erfor­ dert eine Vielzahl von Schaltungseinheiten in dem Empfänger.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufwand für die Detektion der Modulationsart in Empfängern digitaler Kommunikationssysteme zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der un­ abhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angege­ ben.
Die Erfindung geht zunächst von der wesentlichen Erkenntnis aus, dass es nicht zwingend notwendig ist, in jedem Datenpfad des Empfängers, in dem eine Rück- oder Derotation der empfan­ genen Trainingssequenz durchgeführt wird, eine Kanalschätzung durchzuführen. Die Erfindung verzichtet bewusst auf die Ka­ nalschätzung in diesem frühen Stadium der Detektion der Modu­ lationsart. Stattdessen wird jede empfangene und derotierte Trainingssequenz direkt mit der ursprünglichen, ungefilterten Trainingssequenz verglichen. Der Vergleich erfolgt durch eine Korrelation, d. h. eine Multiplikation der beiden Trainingsse­ quenzen miteinander. Die Modulationsart bestimmt sich danach, welcher Phasenrotationsfaktor in dem jeweiligen Datenpfad bei der Rückrotation und der anschließenden Korrelation ein Maxi­ mum erzielt.
Dabei ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, die übli­ cherweise in einem Datenburst vorhandene Trainingssequenz in der beschriebenen Weise zu verwenden. Es kann auch im Prinzip jede andere Sequenz von Informationsdaten, die bei der Kommu­ nikation ohnehin übermittelt wird, in der erfindungsgemäßen Weise ausgenutzt werden, um eine Information über die Modula­ tionsart zu übermitteln.
Im Gegensatz zu der eingangs erwähnten Druckschrift WO 00/10301 benötigt die vorliegende Erfindung keine Kanalschät­ zungen für die Detektion der Modulationsart, da eine Korrela­ tion zwischen der empfangenen und derotierten Trainingsse­ quenz mit der ursprünglichen, ungefilterten Trainingssequenz durchgeführt wird. Die ursprüngliche Trainingssequenz wird somit vor der Durchführung des Korrelationsschritts nicht ei­ ner Kanalfilterfunktion unterworfen. Erfindungsgemäß müssen somit nur eine Anzahl Datenpfade in dem Empfänger bereitge­ stellt werden, in denen jeweils Derotationen der empfangenen Trainingssequenz um vorgegebene Phasenrotationsfaktoren durchgeführt werden, wobei in jedem Datenpfad im Anschluss an die Derotation eine Korrelation durchgeführt wird, bei wel­ cher die empfangene und derotierte Trainingssequenz mit der ursprünglichen, ungefilterten Trainingssequenz korreliert wird. Eine Kanalschätzung wird erst im Anschluss an die De­ tektion der Modulationsart durchgeführt.
Ein weiterer Unterschied zu der bereits genannten gattungs­ bildenden Druckschrift besteht in der Art des mathematischen Vergleichs der Trainingssequenzen. Während bei dem genannten Stand der Technik die zu vergleichenden Trainingssequenzen voneinander subtrahiert werden, wird erfindungsgemäß eine Korrelationsfunktion gebildet. Falls die zeitliche Position der Trainingssequenz innerhalb des empfangenen Datenbursts nur bis zu einer bestimmten Genauigkeit bekannt ist, kann auch vorgesehen sein, dass in jedem Datenpfad die Derotation und Korrelation mehrfach nacheinander durchgeführt wird, wo­ bei die in dem Korrelationsschritt miteinander zu multipli­ zierenden Trainingssequenzen zeitlich inkrementell gegenein­ ander verschoben werden und aus diesen mehrfachen Korrelati­ onsschritten das maximale Korrelationsergebnis ermittelt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Verwendung der beiden Modulationsarten GMSK (Gaussian minimum shift keying) und 8-PSK (8-ary phase shift keying).
Die GMSK-Modulation kann durch eine Amplitudenmodulation approximiert und demzufolge wie folgt interpretiert werden:
  • 1. Ein zugeführtes Bit bk (= 0,1) wird auf ein Symbol ak (= +1, -1) abgebildet, wobei k ein diskretes Zeitmoment be­ deutet.
  • 2. Die GMSK-Symbole ak werden mit π/2 Radianten pro Symbol rotiert:
    sk = ejkπ/2ak = jkak (1)
  • 3. Die rotierten GMSK-Symbole sk werden mit einem Impulsfil­ ter gefiltert:
    k ist das modulierte Basisbandsignal, welches mit der ge­ wünschten Trägerfrequenz gemischt und dann zu der Antenne übertragen wird.
Die 8-PSK-Modulation wird auf ähnliche Weise definiert. Sie unterscheidet sich jedoch von der GMSK-Modulation in der An­ zahl der auf ein Symbol abgebildeten Bits und in der Rota­ tion:
  • 1. Eine Gruppe von drei zugeführten Bits {b3k, b3k+1, b3k+2} wird auf ein 8-PSK-Symbol ak = ejnπ/4 (0 ≦ n ≦ 7) abgebildet.
  • 2. Die 8-PSK Symbole ak werden mit 3π/8 Radianten pro Symbol rotiert:
    sk = ejk3π/8ak (3)
  • 3. Die rotierten 8-PSK-Symbole sk werden mit einem Impulsfil­ ter gefiltert:
    Ein 8-PSK-Datensymbol enthält somit den dreifachen Informati­ onsgehalt wie ein GMSK-Datensymbol. Daher wird die 8-PSK-Mo­ dulation für hohe Datenübertragung verwendet, während die GMSK-Modulation für niedrige Datenübertragung verwendet wird.
Bei dem EDGE-Standard können beide Modulationsarten verwendet werden und die Modulationsart kann von Burst zu Burst geän­ dert werden. Der EDGE-Empfänger kennt zunächst die Modulati­ onsart nicht, in der die ihm von dem Sender übermittelten Da­ ten moduliert sind. Für jeden Burst erkennt der EDGE-Empfän­ ger lediglich einen Block von komplexwertigen Basisband-Ein­ gangsdaten xk und muss selbst eine Entscheidung über die ver­ wendete Modulationsart treffen. Diese Herangehensweise wird daher auch als blinde Modulationsdetektion bezeichnet.
Erfindungsgemäß wird dem ausgesendeten Signal eine Informa­ tion über die verwendete Modulationsart aufgeprägt und hier­ für die dem Empfänger bekannte vorgegebene Trainingssequenz verwendet, die in jedem GSM/EDGE-Burst enthalten ist. Die Da­ tensymbole der Trainingssequenz werden senderseitig mit einem Phasenrotationsfaktor rotiert, der auch für die Modulation der Nutzsignale eingesetzt wird, wobei prinzipiell hierfür auch ein anderer Phasenrotationsfaktor eingesetzt werden kann.
In der einzigen Zeichnungsfigur ist dieses Ausführungsbei­ spiel für das erfindungsgemäße Verfahren der blinden Modula­ tionsdetektion schematisch dargestellt.
Die Figur zeigt das Ablaufschema für die blinde Modulations­ detektion in einem Empfänger. Aus einer empfangenen Trai­ ningssequenz xk werden zwei Proben (Samples) erzeugt und in zwei Datenpfade entsprechend der beiden Modulationsarten ein­ gespeist. In der Figur bezeichnet k (k = 1, 2, . . ., N) die empfangene Trainingssequenz. N bezeichnet die Länge der Trai­ ningssequenz. tk (k = 1, 2, . . ., N) bezeichnet die ursprüng­ liche Trainingssequenz, welche in dem Empfänger gespeichert ist.
In den Datenpfaden wird zunächst die empfangene Trainingsse­ quenz xk um -π/2 pro Symbol bei GMSK und um -3π/8 pro Symbol bei 8-PSK derotiert.
Nach der Derotation wird die empfangene und jeweils dero­ tierte Trainingssequenz yk mit der ursprünglichen Trainings­ sequenz tk korreliert. Da die Korrelation aufgrund der unbe­ kannten Phase des Signals komplexwertig sein kann, wird nach der Summation über die Produkte bei den einzelnen Zeitmomen­ ten k die quadratische Magnitude der Korrelation berechnet.
Schließlich wird das Korrelationsergebnis zwischen GMSK und 8-PSK verglichen. Falls die empfangene und derotierte Trai­ ningssequenz yk GMSK eine stärkere Ähnlichkeit mit der ur­ sprünglichen Trainingssequenz tk als die empfangene und dero­ tierte Trainingssequenz yk 8PSK aufweist, d. h. cGMSK < c8PSK, wird detektiert, dass der entsprechende Daten­ burst mit der Modulationsart GMSK moduliert ist. Andernfalls wird detektiert, dass die Modulationsart 8-PSK ist.
Nach dieser blinden Modulationsdetektion kann der Demodulator dann mit der Kanalschätzung beginnen.
Aufgrund der Tatsache, dass Unsicherheiten über die zeitliche Lage der empfangenen Trainingssequenz innerhalb des Daten­ bursts bestehen können, kann vorgesehen sein, dass die Korre­ lation in jedem Datenpfad mehrfach nacheinander ausgeführt wird, indem die miteinander zu korrelierenden Trainingsse­ quenzen zeitlich gegeneinander verschoben werden. Es kann al­ so zunächst auf der Basis bestimmter Annahmen über die zeit­ liche Lage der Trainingssequenz eine erste Korrelation in je­ dem Datenpfad durchgeführt werden. Anschließend können die Datensymbole der zu korrelierenden Sequenzen tk und yk erneut dem Korrelator zugeführt werden und geringfügig gegeneinander versetzt werden. Von mehreren solcherart ausgeführten Korre­ lationen wird dann das Maximum ausgewählt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur automatischen Erkennung der verwendeten Modulationsart zeichnet sich durch eine hohe Treffsicherheit mit einem im Vergleich zum Stand der Technik geringen Aufwand aus.

Claims (5)

1. Sende- und Empfangsverfahren in einem digitalen Telekom­ munikationssystem, bei welchem
senderseitig jedes Datensymbol einer vorgegebenen, dem Empfänger bekannten Ausgangssequenz (tk), insbesondere der Trainingssequenz eines Datenbursts, um einen für die verwen­ dete Modulationsart spezifischen Phasenrotationsfaktor ro­ tiert wird, und
empfängerseitig die Datensymbole um verschiedene Phasen­ rotationsfaktoren rück- oder derotiert werden und die dadurch erhaltenen Sequenzen (yk) mit der Ausgangssequenz (tk) ver­ glichen werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
empfängerseitig der Vergleich in der Weise durchgeführt wird, daß zwischen den erhaltenen Sequenzen (yk) und der Aus­ gangssequenz (tk) eine Korrelationsfunktion gebildet wird.
2. Sende- und Empfangsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationsfunktion zwischen den erhaltenen Sequen­ zen und der ursprünglichen, ungefilterten Ausgangssequenz ge­ bildet wird.
3. Sende- und Empfangsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Modulationsart auf der Basis des Maximums der Korrelationsfunktion detektiert wird.
4. Sende- und Empfangsverfahren nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationsfunktion mehrmals hintereinander gebil­ det wird und dabei die erhaltenen Sequenzen und die Ausgangs­ sequenz zeitlich gegeneinander verschoben werden.
5. Empfänger eines digitalen Telekommunikationssystems, welcher aufweist:
Mittel zum Empfangen eines von einem Sender übersandten Datensignals, welches eine dem Empfänger bekannte Ausgangsse­ quenz enthält, in welcher jedes Datensymbol um einen Phasen­ rotationsfaktor rotiert ist,
Mittel zum Derotieren der Datensymbole der empfangenen Ausgangssequenz um verschiedene Phasenrotationsfaktoren, gekennzeichnet durch
Mittel zum Bilden von Korrelationsfunktionen zwischen den erhaltenen und rückrotierten Sequenzen und der Ausgangs­ sequenz, insbesondere der ursprünglichen ungefilterten Aus­ gangssequenz.
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