DE102005019176B4

DE102005019176B4 - Funkempfänger mit einer Demodulationseinheit zur Erzeugung von Softbits

Info

Publication number: DE102005019176B4
Application number: DE102005019176A
Authority: DE
Inventors: Jürgen NIEDERHOLZ; Christian Drewes
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2025-04-26
Also published as: DE102005019176A1; US7773698B2; US20060245524A1

Abstract

Funkempfänger (3) zum Empfangen von über Funk übertragenen Empfangssignalen, mit
– einer Demodulationseinheit (10) zum Demodulieren der Empfangssignale, und
– einer ersten Schätzeinheit (14) zur Schätzung der Rauschleistung (N₀) der Empfangssignale, wobei
– die Demodulationseinheit (10) derart ausgestaltet ist, dass sie die demodulierten Empfangssignale als Softbits (s_k) ausgibt und die Demodulationseinheit (10) die Gewichtung (2^m) des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) in Abhängigkeit von der geschätzten Rauschleistung (N₀) der Empfangssignale einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Funkempfänger eines Funkübertragungssystems. Zur Demodulation der Empfangssignale weist der Funkempfänger eine Demodulationseinheit auf, die an ihrem Ausgang Softbits erzeugt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.
In dem Signalpfad eines Funksenders lassen sich anhand ihrer Funktion zwei Blöcke unterscheiden, welche die Codierung und die Modulation der Sendesignale bewerkstelligen. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem äußeren Sender und einem inneren Sender. Der äußere Sender erzeugt durch die Codierung der Sendedaten Bits d_k, welche von dem inneren Sender auf eine Trägerfrequenz moduliert werden und anschließend mittels einer Antenne ausgesendet werden.
In entsprechender Weise zu dem Funksender weist ein Funkempfänger einen inneren Empfänger und einen äußeren Empfänger auf. In dem inneren Empfänger werden die empfangenen Funksignale demoduliert und zu Softbits s_k umgewandelt. Die noch codierten Softbits s_k werden anschließend von dem äußeren Empfänger decodiert.
Mit Hilfe des inneren Empfängers werden folglich die im Funksender von dem äußeren Sender erzeugten Bits d_k in Form von Softbits s_k rekonstruiert. Die Abbildung der Bits d_k auf die Softbits s_k und somit die Qualität der Softbits wird neben den Übertragungseigenschaften und den Eigenschaften des Hochfrequenz-Frontends des Funkempfängers zu einem wesentlichen Teil von der Qualität des inneren Empfängers bestimmt.
In Abhängigkeit des Funkübertragungssystems und insbesondere des äußeren Empfängers, welcher die Softbits weiterverarbei tet, können verschiedene Maße zur Qualitätsbeurteilung der Softbits und des die Softbits generierenden inneren Empfängers herangezogen werden. Beispielsweise können die Softbits anhand der Verzerrung beurteilt werden, die sie durch die Quantisierung erfahren. Da die Softbits in herkömmlichen Funkempfängern in der Regel als Festkommazahlen vorliegen, trägt die zur Zahlendarstellung verwendete Bitanzahl entscheidend zur Qualität der Softbits bei. Durch eine genügend große Bitanzahl lässt sich das Quantisierungsrauschen bis unter jede Schwelle größer Null reduzieren. Mit der Bitbreite steigen jedoch auch kritische Kostenfaktoren einer digitalen integrierten Schaltung, wie etwa die benötigte Chip-Fläche oder der Energieverbrauch.
Die einfachste bekannte Lösung zur Minimierung des Quantisierungsfehlers ist es, die Bitbreite und den Wertebereich der Softbits fest zu dimensionieren und zwar so, dass die Softbits für alle realistisch auftretenden Übertragungsszenarien nur einen geringen Übertragungsfehler sowie eine geringe Sättigungswahrscheinlichkeit aufweisen. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass die Bitbreite und die Bitmenge der Softbits durch Worst-Case-Szenarien bestimmt sind und aus diesem Grund für viele Übertragungsszenarien, für welche eine geringere Bitbreite ausreichend wäre, überdimensioniert sind, sodass der Chip-Flächenbedarf und der Energieverbrauch unnötig hoch sind.
Zur Verbesserung der vorstehend beschriebenen Lösung kann der Wertebereich der Softbits variabel gestaltet werden. Zur Auswahl eines geeigneten Wertebereichs wird zweckmäßigerweise eine Bitanalyse vorgenommen. Dazu werden beispielsweise das niederwertigste Bit (least significant bit; LSB) und das höchstwertigste Bit (most significant bit; MSB) beobachtet und in Abhängigkeit der auftretenden Einsen und Nullen wird der Wertebereich der Softbits zu höherwertigeren oder niederwertigeren Bits verschoben. Der Vorteil dieser Auswahl des Wertebereichs der Softbits ist, dass eine geringere Bitbreite im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Lösung gewählt werden kann. Nachteilig an dieser Lösung ist allerdings, dass eine relativ aufwendige Einheit zum Analysieren der Bitaktivität entworfen und implementiert werden muss. Dies bedingt, dass die durch die verringerte Bitbreite eingesparte Chip-Fläche und Energie in der Regel wieder für die Einheit zum Analysieren der Bitaktivität aufgewendet werden müssen, sodass die beschriebene Lösung nicht in allen Fällen einen Gewinn darstellt.
In der Druckschrift EP 1 195 908 A2 ist eine Vorrichtung zur Auswahl der Bits von Softbits offenbart.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Funkempfänger mit einer Demodulationseinheit zu schaffen, mittels welcher sich die Bits von Softbits aufwandsgünstig und mit einem möglichst geringen Quantisierungsfehler generieren lassen. Des Weiteren soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Funkempfänger ist Teil eines Funkübertragungssystems, welches neben dem Funkempfänger noch einen Funksender aufweist. Der Funksender sendet modulierte Sendesignale aus, die von dem Funkempfänger als Empfangssignale empfangen werden. Danach werden die Empfangssignale in das Basisband heruntergemischt, eventuell aufbereitet und digitalisiert. Zur anschließenden Demodulation der modulierten Empfangssignale ist in dem erfindungsgemäßen Funkempfänger eine Demodulationseinheit in den Empfangspfad geschaltet. Dabei können die Empfangssignale vor der Demodulation auch noch einer Vorverarbeitung unterzogen werden. Die demodulierten Empfangssignale bzw. die vorverarbeiteten und demodulierten Empfangssignale werden von der Demodulationseinheit an ihrem Ausgang als Softbits ausgegeben. Sofern man dem erfindungsgemäßen Funkempfänger ein übliches Empfängerkonzept zugrunde legt, stellt die Demodulationseinheit folglich den inneren Empfänger dar. Insoweit entspricht der erfindungsgemäße Funkempfänger einem herkömmlichen Funkempfänger.
Im Unterschied zu einem herkömmlichen Funkempfänger umfasst der erfindungsgemäße Funkempfänger zusätzlich eine erste Schätzeinheit, welche die Rauschleistung der Empfangssignale schätzt und den ermittelten Schätzwert an die Demodulationseinheit weiterleitet. Die Demodulationseinheit verwendet den Wert der geschätzten Rauschleistung, um anhand dieses Wertes bei der Zahlendarstellung der Softbits die Gewichtung des niederwertigsten Bits der Softbits mittels eines einstellbaren Skalierers auszuwählen. Bei einer binären Zahlendarstellung der Softbits ist die Gewichtung eines Bits die Zweierpotenz, mit welcher das Bit zur Zahlendarstellung multipliziert wird.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Demodulationseinheit bewirkt, dass für die Zahlendarstellung der Softbits ein solcher Wertebereich gefunden werden kann, der sowohl ein geringes Quantisierungsrauschen als auch eine günstige Implementierung ermöglicht. So stellt die Rauschleistung der Empfangssignale ein sinnvolles Maß dar, anhand dessen die Gewichtung des niederwertigsten Bits der Softbits optimal ausgewählt werden kann, um die durch die Quantisierung hervorgerufene Verzerrung unter einer sinnvollen Schwelle zu halten. Ferner ermöglicht die Erfindung die Zahlendarstellung der Softbits mit einer minimalen Bitanzahl, da durch die geeignete Auswahl der Gewichtung des niederwertigsten Bits der Bitbereich der Softbits klein gehalten werden kann. Durch diese Maßnahme können unnötiger Chip-Flächenbedarf und Energieverbrauch vermieden werden. Folglich ermöglicht es die Erfindung, zwei eigentlich miteinander konkurrierenden Vorgaben, nämlich der Forderung nach einem geringen Quantisie rungsrauschen als auch nach einer geringen Anzahl von Bits zur Zahlendarstellung der Softbits, zu genügen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Funkempfängers ist, dass der mit seiner Realisierung verbundene Implementierungsaufwand verhältnismäßig gering ist, da in den meisten Funkempfängern eine Schätzeinheit zur Schätzung der Rauschleistung der Empfangssignale aus anderen Gründen bereits vorgesehen ist.
Vorteilhafterweise weist der erfindungsgemäße Funkempfänger eine zweite Schätzeinheit auf, deren Aufgabe es ist, die Signalleistung der Empfangssignale zu schätzen. Der von der zweiten Schätzeinheit ermittelte Schätzwert wird der Demodulationseinheit zugeführt, welche bei dieser Ausgestaltung neben der oben beschriebenen Einstellung der Gewichtung des niederwertigsten Bits der Softbits auch die Gewichtung des höchstwertigsten Bits der Softbits einstellt. Dabei wird die Gewichtung des höchstwertigsten Bits von der Demodulationseinheit in Abhängigkeit von der geschätzten Signalleistung der Empfangssignale ausgewählt. Durch diese bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung wird erreicht, dass eine Sättigung der Softbits sehr unwahrscheinlich ist, d. h. es wird nur selten der Fall auftreten, dass ein demoduliertes Empfangssignal mittels des ausgewählten Bitbereichs nicht dargestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass eine Schätzeinheit zur Schätzung der Signalleistung in herkömmlichen Funkempfängern aus anderen Gründen oftmals bereits vorgesehen ist, sodass in derartigen Fällen der Zusatzaufwand zur Realisierung des erfindungsgemäßen Funkempfängers verhältnismäßig klein ist.
Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung der Erfindung kann vorteilhafterweise auch vorgesehen sein, dass die Bitbreite, d. h. die Anzahl der Bits der Softbits, fest vorgegeben ist. Dies bedeutet, dass das höchstwertigste Bit nach der Auswahl des niederwertigsten Bits bereits feststeht und nicht noch mit Hilfe der geschätzten Signalleistung der Empfangssignale ermittelt werden muss. Durch diese Maßnahme werden die grundlegenden Vorteile der Erfindung nicht eingebüßt, jedoch kann dadurch die zweite Schätzeinheit eingespart werden. Hierbei muss auch berücksichtigt werden, dass die Schätzung der Rauschleistung im Allgemeinen einfacher ist als die Schätzung der Signalleistung.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Funkempfängers sieht vor, dass die Demodulationseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie die Gewichtung des niederwertigsten Bits der Softbits so einstellt, dass der maximale Quantisierungsfehler klein ist im Verhältnis zu der ohnehin schon existierenden Rauschkomponente der Softbits. Dies ist gleichbedeutend mit der Forderung, dass die durch den maximalen Quantisierungsfehler verursachte Quantisierungsrauschleistung wesentlich kleiner ist als die geschätzte Rauschleistung der Empfangssignale. Dieses Kriterium zur Auswahl der Gewichtung des niederwertigsten Bits der Softbits bewirkt, dass durch die Erzeugung der Softbits die Signal-zu-Rauschleistung nicht wesentlich verschlechtert wird, da das durch die Quantisierung zusätzlich erzeugte Rauschen vernachlässigbar gegenüber der ohnehin schon vorhandenen Rauschkomponente der Softbits ist.
Vorzugsweise stellt die Demodulationseinheit die Gewichtung 2^m (m ∊ N₀) des niederwertigsten Bits der Softbits anhand der geschätzten Rauschleistung N₀ derart ein, dass die nachfolgende Relation erfüllt ist:
Die Forderung gemäß Gleichung (1) bewirkt, dass für den maximalen Quantisierungsfehler 2^m-1 folgende Relation gilt:
In Gleichung (2) wird der maximale Quantisierungsfehler 2^m-1 mindestens eine Zehnerpotenz kleiner gewählt als die Standardabweichung σ des Rauschens, für welche σ² = N₀ gilt. Dieser Grenzwert hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um das durch die Quantisierung erzeugte zusätzliche Rauschen möglichst gering zu halten, da durch diesen Wert auch Ungenauigkeiten bei einer üblichen Rauschleistungsschätzung berücksichtigt werden.
Sofern zur Bestimmung des Wertebereichs der Softbits nur die Rauschleistung und nicht die Signalleistung der Empfangssignale berücksichtigt werden und die Bitbreite M dementsprechend vorgegeben ist, ist es sinnvoll, die Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits der Softbits um mindestens einen Faktor 2 kleiner zu wählen als nach Gleichung (1):
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Einstellung der Gewichtung des niederwertigsten Bits der Softbits ein maximaler Wert für das Signal-zu-Rauschleistungsverhältnis der Softbits vorgegeben. Dementsprechend kann nach einer Messung des aktuellen Signalzu-Rauschleistungsverhältnisses der Empfangssignale abgeschätzt werden, welches Quantisierungsrauschen noch akzeptabel ist, damit der maximale Wert des Signal-zu-Rauschleistungsverhältnisses der Softbits nicht überschritten wird. Anhand des tolerierbaren Quantisierungsrauschens kann die Gewichtung des niederwertigsten Bits der Softbits ausgewählt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Funkempfängers sieht vor, dass die Gewichtung des höchstwer tigsten Bits der Softbits durch die Demodulationseinheit anhand der geschätzten Signalleistung der Empfangssignale derart eingestellt wird, dass die demodulierten Empfangssignale in dem dadurch bestimmten Bitbereich eindeutig darstellbar sind. Demnach kommt es nur mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit zu einer Sättigung bei der Zahlendarstellung der demodulierten Empfangssignale aufgrund einer zu kleinen oberen Grenze des Bitbereichs der Softbits.
Vorteilhafterweise wird die Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits der Softbits durch die Demodulationseinheit anhand der geschätzten Signalleistung S₀ der Empfangssignale so gewählt, dass im Wesentlichen folgende Gleichung gilt:
Die Wahl der Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits der Softbits anhand von Gleichung (4) verhindert mit hoher Wahrscheinlichkeit, dass die demodulierten Empfangssignale mittels des für die Softbits ausgewählten Bitbereichs aufgrund einer Sättigung nicht darstellbar sind.
Eine weitere sinnvolle Maßnahme ist es, bei einer variablen Bitbreite eine Mindestbitbreite vorzugeben. Dies unterbindet einen eventuell zu hohen schaltungstechnischen Aufwand zur Realisierung des erfindungsgemäßen Funkempfängers.
Ferner ist es von Vorteil, die ausgewählte Gewichtung des niederwertigsten Bits der Softbits als auch gegebenenfalls die ausgewählte Gewichtung des höchstwertigsten Bits der Softbits über einen vorgegebenen Zeitraum konstant zu halten. Bei dem vorgegebenen Zeitraum kann es sich beispielsweise um einen Zeitschlitz oder einen Zeitrahmen handeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Verarbeitung von über Funk empfangenen Empfangssignalen und umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

(a) Schätzen der Rauschleistung der Empfangssignale; und
(b) Demodulieren der Empfangssignale, wobei die demodulierten Empfangssignale als Softbits dargestellt werden und die Gewichtung des niederwertigsten Bits der Softbits in Abhängigkeit von der geschätzten Rauschleistung der Empfangssignale gewählt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die gleichen Vorteile gegenüber herkömmlichen, demselben Zweck dienenden Verfahren wie der erfindungsgemäße Funkempfänger auf.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Funkübertragungssystems als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Funkempfängers; und
2 eine Festkomma-Zahlendarstellung der Softbits S_k.
In 1 ist ein Funkübertragungssystem 1 schematisch dargestellt. Das Funkübertragungssystem 1 umfasst einen Funksender 2 und einen Funkempfänger 3, der als Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Funkempfänger dient. Zwischen dem Funksender 2 und dem Funkempfänger 3 werden Signale über einen Übertragungskanal 4 übertragen.
Der Funksender 2 besteht aus Verarbeitungseinheiten 5, einem äußeren Sender 6, einem inneren Sender 7 und einer Hochfrequenzeinheit 8. Die Verarbeitungseinheiten 5 stellen eine Datenquelle dar und führen dem äußeren Sender 6 Bitsequenzen zu, welche an den Funkempfänger 3 übertragen werden sollen. Die Bitsequenzen werden von dem äußeren Sender 6 durch Codierung in Bits d_k umgewandelt. Anschließend moduliert der innere Sender 7 die Bits d_k auf eine Trägerfrequenz, sodass dass die daraus erhaltenen Signale von der Hochfrequenzeinheit 8 ausgestrahlt werden können.
Die von dem Funksender 2 ausgesendeten Signale werden über den Übertragungskanal 4 übertragen und von dem Funkempfänger 3 empfangen. Der Funkempfänger 3 versucht, aus den empfangenen Signalen die ursprünglichen Bitsequenzen zu rekonstruie ren. Dazu weist der Funkempfänger 3 eine Hochfrequenzeinheit 9, einen inneren Empfänger 10, einen äußeren Empfänger 11 sowie Verarbeitungseinheiten 12 auf. Die von der Hochfrequenzeinheit 9 empfangenen Signale werden heruntergemischt und in dem inneren Empfänger 10 abgetastet und danach demoduliert. Am Ausgang des inneren Empfängers 10 werden Softbits s_k bereitgestellt. Die Softbits s_k stellen die Rekonstruktion der von dem äußeren Sender 6 generierten Bits d_k dar. Die Abbildung der Bits d_k auf die Softbits s_k ist in 1 durch einen Pfeil 13 dargestellt. Die Aufgabe des inneren Empfängers 10 ist es, eine möglichst hohe Qualität der Softbits s_k zu ermöglichen, d. h. die ursprünglichen Bits d_k möglichst gut zu rekonstruieren. Gleichzeitig soll zur Zahlendarstellung der Softbits s_k eine minimale Anzahl von Bits verwendet werden. Die Softbits s_k werden anschließend von dem äußeren Empfänger 11 decodiert und danach von den Verarbeitungseinheiten 12 weiterverarbeitet.
Nachfolgend wird die effiziente Auswahl der Softbits s_k am Ausgang des inneren Empfängers 10 beschrieben. In 2 sind zur Veranschaulichung des zu diesem Zweck angewandten Verfahrens die Softbits s_k in einer Festkomma-Zahlendarstellung dargestellt. Dabei wurde die folgende Zahlendarstellung gewählt: sk = bn+M-1·2m+M-1 + bn+M-2·2m+M-2 + bn+1·2m+1 + bn·2m (5)
In Gleichung (5) bezeichnen die Koeffizienten b_x die Bits. Die mit dem jeweiligen Bit b_x ein Produkt bildende Zweierpotenz gibt die Gewichtung des Bits b_x an. Der Parameter M bezeichnet die Bitbreite der Softbits s_k. Bei vorzeichenbehafteten Zahlen erhöht sich die Wortbreite der Softbits s_k um ein Bit auf M + 1.
Um die Wertemenge der Softbits s_k festzulegen, wird zunächst die Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits b_n (LSB) der Softbits s_k bestimmt. Anschließend wird die Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits b_n+M-1 (MSB) der Softbits s_k bestimmt. Die Bestimmung der Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits b_n+M-1 kann sich auch automatisch aus der Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits b_n ergeben, sofern die Bitbreite M der Softbits s_k von vornherein festgelegt ist. Die so gewonnenen Parameter werden von einem in den inneren Empfänger 10 integrierten Skalierer verwendet, um die Softbits s_k innerhalb des bestimmten Bitbereichs zu generieren.
Die Erfindung sieht vor, dass in dem Funkempfänger 3 eine Schätzeinheit 14 zur Schätzung der Rauschleistung N₀ des Empfangssignals vorhanden ist. Die geschätzte Rauschleistung N₀ wird von der Schätzeinheit 14 an den inneren Empfänger 10 weitergegeben. Ferner sieht die Erfindung vor, dass der Bitbereich der Softbits s_k so gewählt wird, dass die durch das Quantisieren erzeugte Quantisierungsrauschleistung N_Q klein ist im Verhältnis zur ohnehin vorhandenen Rauschleistung N₀ der Softbits s_k. Zu diesem Zweck wird die Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits b_n der Softbits s_k in Abhängigkeit von der Rauschleistung N₀ ausgewählt.
Für die gleichverteilte Quantisierungsrauschleistung N_Q gilt:
wobei Δ die Quantisierungsstufenbreite angibt, welche sich aus der Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits b_n ergibt: Δ = 2m (7)
Gemäß der Erfindung wird die Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits b_n so ausgewählt, dass der maximale Quantisierungsfehler 2^m-1 klein ist im Verhältnis zur Rauschleistung N₀. Ein praktikabler Wert für den maximalen Quantisierungsfehler 2^m-1 ergibt sich aus folgender Gleichung:
In Gleichung (8) steht σ für die Standardabweichung des Rauschens. Für die Standardabweichung σ gilt bei weißem Rauschen σ² = N₀. Grundsätzlich kann der maximale Quantisierungsfehler 2^m-1 gemäß der Erfindung frei vorgegeben werden, solange er kleiner ist als die Standardabweichung σ.
Aus Gleichung (8) ergibt sich für die Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits b_n die folgende Bestimmungsgleichung:
Eine Kombination der Gleichungen (6) bis (8) liefert:
Während das Signal-zu-Rauschleistungsverhältnis vor der Quantisierung S₀/N₀ beträgt, wird es nach der Quantisierung auf folgenden Wert reduziert:
Dies entspricht einer Verschlechterung um 0,0145 dB. Eine solche Verschlechterung ist meist vernachlässigbar. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine maximal erlaubte Degradation des Signal-zu-Rauschleistungsverhältnisses vorzugeben und daraus die Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits b_n anhand der Gleichungen (6), (7) und (11) zu berechnen.
Zur Bestimmung der Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits b_n+M-1 der Softbits s_k stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung. Auf der einen Seite kann die Bitbreite M der Softbits s_k von vornherein vorgegeben sein. Nach der Bestimmung der Gewich tung 2^m des niederwertigsten Bits b_n ergibt sich dann daraus automatisch die Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits b_n+M-1. Auf der anderen Seite kann die Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits b_n+M-1 aber auch anhand des empfangenen Funksignals bestimmt werden. Dies wird nachfolgend beschrieben.
Die Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits b_n+M-1 lässt sich anhand des maximalen Nutzsignalbeitrags des Empfangssignals bestimmen. Bei den Softbits s_k ergibt sich der Nutzsignalbeitrag typischerweise aus drei multiplikativen Beiträgen. Zum einen werden die in dem Funksender 2 aus den Bits d_k durch Modulation gewonnenen Symbole beim Senden und beim Empfangen jeweils mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert. Zum anderen existiert noch eine für den Übertragungskanal 4 spezifische Gewichtung. Demnach kann eine Signalleistungsschätzung eine relativ genaue Schätzung des maximalen Nutzsignalbeitrags liefern. Für Modulationsverfahren mit Symbolen gleicher Energie, wie etwa BPSK, QPSK, aber nicht höherwertige QAM-Verfahren, ist der Signalbeitrag dann gleich
wobei S₀ die Signalleistung der Empfangssignale angibt. Damit keine Verschlechterung des Signal-zu-Rauschleistungsverhältnisses durch die Wahl der Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits b_n+M-1 erzeugt wird, sollte der maximale Signalbeitrag kleiner als das Doppelte der Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits b_n+M-1 sein, d. h. der maximale Signalbeitrag sollte kleiner als 2^m+M sein. Praktikabel ist es allerdings, auch Schätzungenauigkeiten der Signalleistung zu berücksichtigen. Daher ist es sinnvoll, einen Faktor 2 als Reserve zu veranschlagen, sodass für die Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits b_n+M-1 gilt:
Um die Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits b_n+M-1 anhand von Gleichung (12) bestimmen zu können, muss die Signalleistung S₀ der Empfangssignale bekannt sein. Diese wird in dem Funkempfänger 3 mittels einer Schätzeinheit 15 geschätzt und an den inneren Empfänger 10 weitergegeben.
Aus Gleichung (12) lässt sich zusammen mit der Gleichung (8) die Bitbreite M der Softbits s_k bestimmen:
Zur Gewinnung der Bitbreite M aus Gleichung (13) muss die aus dem Term auf der rechten Seite von Gleichung (13) gewonnene Zahl zur nächst höheren ganzzahligen Zahl aufgerundet werden.
Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird nachfolgend ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Funkempfängers beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der innere Empfänger 10 durch einen RAKE-Empfänger realisiert und die Signalübertragung erfolgt gemäß dem UMTS-Standard. Konservativ kann der Bereich des Signal-zu-Rauschleistungsverhältnisses, in welchem der RAKE-Empfänger 10 arbeiten soll, von 0 dB bis 15 dB abgeschätzt werden. Nach Gleichung (13) ergibt sich daraus ein Bitbreitenbedarf von M + 1 = 5 bis M + 1 = 7, wobei der Summand 1 auf den rechten Seiten der vorstehenden Gleichungen von dem Vorzeichen der Softbits s_k herrührt. Die Gewichtungen 2^m und 2^m+M-1, welche die Wertemenge der Softbits s_k bestimmen, können mit Hilfe der Gleichungen (9) und (12) errechnet werden.
Um die beschriebene Bestimmung des bestmöglichen Wertebereichs der Softbits s_k noch effizienter zu gestalten, können in der Praxis einige Modifikationen vorgenommen werden. So ist es zur Vermeidung von unnötigem schaltungstechnischen Aufwand sinnvoll, die Bitbreite M nicht völlig variabel zu halten, sondern eine minimale Bitbreite M vorzusehen. Gemäß der obigen Abschätzung sind für den RAKE-Empfänger 10 daher mindestens 5 Bits zur Zahlendarstellung der Softbits s_k notwendig.
Eine weitere Vereinfachung betrifft die Schätzungen der Rauschleistung N₀ und der Signalleistung S₀. Diese Schätzungen ergeben sich in der Regel aus Interpolationen. Der Bitbereich der Softbits s_k muss allerdings für einen gewissen Zeitraum richtig gewählt werden. Im UMTS-Standard können dies Zeitschlitze (slots), Rahmen (frames) oder TTIs sein. Um zu gewährleisten, dass mit dem ausgewählten Bitbereich der Softbits s_k eine tolerierbare maximale Quantisierungsdegradation über den gewählten Zeitraum erzielt werden kann, müssen die Rauschleistung N₀ und die Signalleistung S₀ durch die in dem gewählten Zeitraum zu erwartenden minimalen bzw. maximalen Werte ersetzt werden. Dazu muss eine typischerweise stärker varianzbehaftete Prädiktion durchgeführt werden. Zu diesem Zweck wird die Schätzung zum einen auf die Schätzung der Rauschleistung N₀ eingeschränkt, welche im Allgemeinen besser prädizierbar ist als die Signalleistung S₀. Dies bedingt, dass die Bitbreite M konstant gehalten wird. Zum anderen wird die Varianz der Rauschleistung N₀ bei der Wahl der Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits b_n gemäß Gleichung (9) durch einen zusätzlichen Faktor 1/2 berücksichtigt, sodass gilt:
Die Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits b_n+M-1 wird nun so gewählt, dass auch bei einem maximal zu erwartenden Signal-zu-Rauschleistungsverhältnis (S₀/N₀)_max der Signalbeitrag nicht im gesättigten Bereich der Quantisierungskennlinie liegt. Demnach gilt für die Bitbreite M:
Für ein maximales Signal-zu-Rauschleistungsverhältnis von 15 dB ergibt sich hieraus M + 1 = 8 Bit.
Die vorstehend beschriebenen Modifikationen zur Anwendung der Erfindung auf einen RAKE-Empfänger, der gemäß dem UMTS-Standard arbeitet, ermöglichen einen robusten Einsatz, ohne die grundsätzlichen Vorteile der Erfindung einzubüßen. Für andere Empfängerkonzepte sind ähnliche Modifikationen sinnvoll.
Dem Fachmann sind vielfältige Verfahren bekannt, mittels denen er die Signal- und Rauschleistungen von Empfangssignalen schätzen kann. In UMTS-Systemen basieren diese Schätzungen in der Regel auf einer Untersuchung der Pilotsymbole des DPCH-Kanals. Zusätzlich können dazu auch die Pilotsymbole des CPICH-Kanals verwendet werden.

Claims

Funkempfänger (3) zum Empfangen von über Funk übertragenen Empfangssignalen, mit – einer Demodulationseinheit (10) zum Demodulieren der Empfangssignale, und – einer ersten Schätzeinheit (14) zur Schätzung der Rauschleistung (N₀) der Empfangssignale, wobei – die Demodulationseinheit (10) derart ausgestaltet ist, dass sie die demodulierten Empfangssignale als Softbits (s_k) ausgibt und die Demodulationseinheit (10) die Gewichtung (2^m) des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) in Abhängigkeit von der geschätzten Rauschleistung (N₀) der Empfangssignale einstellt.
Funkempfänger (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass eine zweite Schätzeinheit (15) zur Schätzung der Signalleistung (S₀) der Empfangssignale vorgesehen ist, und – dass die Demodulationseinheit (10) derart ausgestaltet ist, dass sie die Gewichtung (2^m+M-1) des höchstwertigsten Bits (b_n+M-1) der Softbits (s_k) in Abhängigkeit von der geschätzten Signalleistung (S₀) der Empfangssignale einstellt.
Funkempfänger (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bitbreite (M) der Softbits (s_k) vorgegeben ist.
Funkempfänger (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Demodulationseinheit (10) derart ausgestaltet ist, dass sie die Gewichtung (2^m) des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) derart einstellt, dass die durch die Quantisierung der demodulierten Empfangssignale verursachte maximale Quantisierungsrauschleistung (N_Q) kleiner ist als die geschätzte Rauschleistung (N₀) der Empfangssignale.
Funkempfänger (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Demodulationseinheit (10) derart ausgestaltet ist, dass sie die Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) so wählt, dass
gilt, wobei N₀ die geschätzte Rauschleistung der Empfangssignale angibt.
Funkempfänger (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die Demodulationseinheit (10) derart ausgestaltet ist, dass sie bei einer vorgegebenen Bitbreite (M) der Softbits (s_k) die Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) so wählt, dass
gilt, wobei N₀ die geschätzte Rauschleistung der Empfangssignale angibt.
Funkempfänger (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Demodulationseinheit (10) derart ausgestaltet ist, dass sie die Gewichtung (2^m) des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) anhand eines vorgegebenen maximalen Werts für das Signal-zu-Rauschleistungsverhältnis der Softbits (s_k) einstellt.
Funkempfänger (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass die Demodulationseinheit (10) derart ausgestaltet ist, dass sie die Gewichtung (2^m+M-1) des höchstwertigsten Bits (b_n+M-1) der Softbits (s_k) in Abhängigkeit von der geschätzten Signalleistung (S₀) der Empfangssignale derart einstellt, dass die demodulierten Empfangssignale mittels der durch die Gewichtungen (2^m, 2^m+M-1) des niederwertigsten Bits (b_n) und des höchstwertigsten Bits (b_n+M-1) der Softbits (s_k) bestimmten Wertemenge ohne Sättigung darstellbar sind.
Funkempfänger (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass die Demodulationseinheit (10) derart ausgestaltet ist, dass sie die Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits (b_n+M-1) der Softbits (s_k) so wählt, dass im Wesentlichen
gilt, wobei S₀ die geschätzte Signalleistung der Empfangssignale angibt.
Funkempfänger (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass bei der Wahl der Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits (b_n+M-1) der Softbits (s_k) eine minimale Bitbreite (M) der Softbits (s_k) vorgegeben ist.
Funkempfänger (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Gewichtung (2^m) des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) über einen vorgegebenen Zeitraum konstant gehalten wird.
Verfahren zur Verarbeitung von über Funk empfangenen Empfangssignalen, mit den Schritten: (a) Schätzen der Rauschleistung (N₀) der Empfangssignale; und (b) Demodulieren der Empfangssignale, wobei die demodulierten Empfangssignale als Softbits (s_k) dargestellt werden und die Gewichtung (2^m) des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) in Abhängigkeit von der geschätzten Rauschleistung (N₀) der Empfangssignale gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, – dass die Signalleistung (S₀) der Empfangssignale geschätzt wird, und – dass die Gewichtung (2^m+M-1) des höchstwertigsten Bits (b_n+M-1) der Softbits (s_k) in Abhängigkeit von der geschätzten Signalleistung (S₀) der Empfangssignale gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bitbreite (M) der Softbits (s_k) vorgegeben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, – dass die Gewichtung (2^m) des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) derart ausgewählt wird, dass die durch die Quantisierung der demodulierten Empfangssignale verursachte maximale Quantisierungsrauschleistung (N_Q) kleiner ist als die geschätzte Rauschleistung (N₀) der Empfangssignale.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, – dass die Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) so ausgewählt wird, dass
gilt, wobei N₀ die geschätzte Rauschleistung der Empfangssignale angibt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, – dass bei einer vorgegebenen Bitbreite (M) der Softbits (s_k) die Gewichtung 2^m des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) so ausgewählt wird, dass
gilt, wobei N₀ die geschätzte Rauschleistung der Empfangs signale angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, – dass die Gewichtung (2^m) des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) anhand eines vorgegebenen maximalen Werts für das Signal-zu-Rauschleistungsverhältnis der Softbits (s_k) ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, – dass die Gewichtung (2^m+M-1) des höchstwertigsten Bits (b^n+M-1) der Softbits (s_k) in Abhängigkeit von der geschätzten Signalleistung (S₀) der Empfangssignale derart ausgewählt wird, dass die demodulierten Empfangssignale mittels der durch die Gewichtungen (2^m, 2^m+M-1) des niederwertigsten Bits (b_n) und des höchstwertigsten Bits (b_n+M-1) der Softbits (s_k) bestimmten Wertemenge ohne Sättigung darstellbar sind.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, - dass die Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits (b_n+M-1) der Softbits (s_k) so ausgewählt wird, dass im Wesentlichen
gilt, wobei S₀ die geschätzte Signalleistung der Empfangssignale angibt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, – dass bei der Wahl der Gewichtung 2^m+M-1 des höchstwertigsten Bits (b_n+M-1) der Softbits (s_k) eine minimale Bitbreite (M) der Softbits (s_k) vorgegeben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, – dass die Gewichtung (2^m) des niederwertigsten Bits (b_n) der Softbits (s_k) über einen vorgegebenen Zeitraum konstant gehalten wird.