DE102006003834A1

DE102006003834A1 - Vorrichtung zum Erfassen eines Frequenzversatzes

Info

Publication number: DE102006003834A1
Application number: DE102006003834A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ruprich
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2026-01-27
Also published as: DE102006003834B4; US20070177691A1; US8107564B2

Abstract

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Erfassen eines Frequenzversatzes mit einem Frequenzumsetzer (209) zum Umsetzen eines Empfangssignals in ein Seitenband und mit einem Berechnungsmittel (211) zum Berechnen einer für das Seitenband charakteristischen Größe, die ein Maß für den Frequenzversatz ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Nachrichtentechnik und insbesondere auf das Gebiet der Frequenzversatz-Schätzung.
Jeder Mobilfunkempfänger muss sich vor dem Aufbau einer Datenverbindung mit einer oder mehreren Basisstationen (BTS) bezüglich des Sende- und Empfangstaktes synchronisieren. Insbesondere bei CDMA-Übertragungsverfahren ist eine möglichst genau und frühe (früh bedeutet möglichst am Anfang des initialen Synchronisations-Prozesses) Frequenzsynchronisation nötig, da Frequenzabweichungen im Empfangstakt eine signifikante Degradation bei der Demodulation der spreizcodierten Signale verursacht.
Eine der wesentlichen Performance-Kriterien einer Synchronisationsvorrichtung sind die Detektionswahrscheinlichkeit, die mittlere Akquisitionszeit, die sogenannte Falschalarmrate und die Zeit, die das System braucht, um eine "Negativdetektion" zu erkennen. Um eine optimale Synchronisations-Performance zu gewährleisten, müssen Sender und Empfänger möglichst genau frequenzsynchron arbeiten. Ist der Mobilfunkempfänger bereits mit einer Basisstation synchronisiert, so ist der Frequenzfehler bezüglich neu zu suchender Zellen in der Regel vernachlässigbar (bei UMTS z.B. < 0,1 ppm). Für initiale Synchronisationsversuche (z.B. nach "power on") muss hingegen mit erheblichen Frequenz-Offsets zwischen Sender (BTS) und Empfänger (mobile Terminals) gerechnet werden (z.B. 3 ppm). Eine Korrektur des Frequenzversatzes vor oder während einer sehr frühen Phase einer Synchronisations-Prozedur ist daher wünschenswert und vorteilhaft.
In Spreizcode-modulierten Übertragungssystemen werden in der Regel Frequenzsynchronisation und Frequenznachführung basie rend auf Empfangssymbolen eines Pilotkanals durchgeführt. Hierfür wird der Pilotkanal demoduliert (entspreizt) und die Phasendifferenz zwischen aufeinander folgenden Empfangssymbolen ermittelt. Das Verfahren ist "State of the Art" und kann in der einschlägigen Fachliteratur detailliert nachgelesen werden. Dieses Standardverfahren weist einige Nachteile auf. Zum einen ist es notwendig, dass der Referenzkanal (Pilotkanal) eine ausreichend lange Sequenz von zusammenhängenden, aufeinander folgenden Symbolen überträgt. Dieses Kriterium erfüllen beispielsweise im UMTS-System nicht alle Kanäle (z.B. überträgt der Synchronisationskanal SCH nur ein Pilotsymbol pro UMTS-Slot, d.h. eine Symbolperiode von etwa 0,66 ms). Zum anderen ist während der initialen Synchronisations-Prozedur in der Regel die Demodulationssequenz (hier im Speziellen die Spreizsequenz) des Pilotkanals im Empfänger nicht bekannt. Diese wird erst während der initialen Synchronisations-Prozedur bzw. Zelldetektion ermittelt. Somit kann ein standardmäßiges Verfahren in diesem Operations-Mode keine Korrektur des Frequenzversatzes durchführen. Alle Stufen einer initialen Synchronisations-Prozedur (in der Regel besteht eine initiale Synchronisation aus mehreren Stufen, die unterschiedliche Kanäle benutzen/demodulieren) müssen folglich mit einem in der Regel hohen Frequenzversatz durchgeführt werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Konzept zum Erfassen eines Frequenzversatzes auf der Basis von beliebigen Signalen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Frequenzversatz auf der Basis der Eigenschaften desselben Signals nach dessen Verschiebung in verschiedene Seitenbänder, z.B. durch Frequenzumsetzung, erfasst werden kann.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Erfassen eines Frequenzversatzes mit einem Frequenzumsetzer, der ausgebildet ist, um ein Empfangssignal in ein Seitenband mit einer vorbestimmten Mittenfrequenz umzusetzen, sodass ein frequenzumgesetztes Seitenbandsignal entsteht. Ist das Empfangssignal beispielsweise ein Basisbandsignal, so setzt der Frequenzumsetzer das Basisbandsignal um, sodass das Spektrum des Seitenbandsignals bezüglich des Spektrums des Empfangssignals im Frequenzbereich verschoben ist. Die Frequenzverschiebung kann sowohl positiv als auch negativ sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner ein Berechnungsmittel, das eine für das Seitenband charakteristische Größe aus dem Seitenband ableitet. Beispielsweise ermittelt das Berechnungsmittel die Energie oder den Betragsmittelwert oder die Leistung des Seitenbandsignals. Die für das Seitenband charakteristische Größe ist bereits ein Maß für den Frequenzversatz. Ist die charakteristische Größe beispielsweise die Energie des Seitenbandsignals, so liefert die Energie, die für verschiedene Mittenfrequenzen unterschiedlich sein kann, bereits eine Aussage über den Frequenzversatz. Auf der Basis der charakteristischen Größe kann somit auf den Frequenzversatz geschlossen werden.
Zum Detektieren des Frequenzversatzes kann die Vorrichtung einen Detektor umfassen, der den Frequenzversatz auf der Basis der charakteristischen Größe detektiert. Hierzu kann der Detektor die charakteristische Größe beispielsweise mit einem vorgespeicherten Wert vergleichen, um den Frequenzversatz zu bestimmen. Ist der vorgespeicherte Wert einem Frequenzversatzwert zugeordnet und entspricht die charakteristische Größe dem vorgespeicherten Wert, so kann der Frequenzversatzwert direkt ausgegeben werden. Zum Detektieren des Frequenzversatzes kann der Detektor die charakteristische Größe mit einer Mehrzahl von vorgespeicherten Werten vergleichen, wobei jedem vorgespeicherten Wert ein Frequenzwert zugeordnet ist. Der Detektor gibt vorzugsweise denjenigen Frequenzversatzwert aus, der demjenigen vorgespeicherten Wert zugeordnet ist, dem die charakteristische Größe am ehesten entspricht.
Die Mehrzahl der vorgespeicherten Werte kann beispielsweise in einem von der Vorrichtung umfassten Speicher vorgespeichert sein.
Die vorgespeicherten Werte können beispielsweise auf der Basis von Simulationen ermittelt werden. Hierzu wird für jeden möglichen Frequenzversatz eine charakteristische Größe ermittelt. Die charakteristischen Größen werden dann in dem Speicher als die vorgespeicherten Werte abgelegt. Wird im Betrieb eine charakteristische Größe ermittelt, so kann auf der Basis des Vergleichs der zu erwartende Frequenzversatz direkt ermittelt werden. Um eine feinere Auflösung zu erhalten, kann der Detektor ausgebildet sein, um eine Interpolation zwischen den vorgespeicherten Werten durchzuführen, um Zwischenwerte zu erhalten.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Frequenzumsetzer eine Mehrzahl von Signalen erzeugen, wobei jedes Signal eine unterschiedliche vorbestimmte Mittenfrequenz aufweist. Beispielsweise erzeugt der Frequenzumsetzer eine Mehrzahl von Kopien des Empfangssignals und setzt die Mehrzahl der Kopien des Empfangssignals in unterschiedliche Seitenbänder mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen um, um eine Mehrzahl von Seitenbandsignalen zu erhalten. Das Berechnungsmittel kann dann aus der Mehrzahl der umgesetzten Seitenbandsignale und eventuell aus dem nicht umgesetzten Empfangssignal eine Mehrzahl von charakteristischen Größen ableiten, wobei der Detektor auf der Basis der Mehrzahl der charakteristischen Größen auf den Frequenzversatz, beispielsweise durch Vergleich mit einer Mehrzahl von vorgespeicherten Werten, schließt. Dabei ist jede der charakteristischen Größen für das jeweilige Signal charakteristisch. Bei den charakteristischen Größen kann es sich um Energien der Seitenbandsignale, um deren Leistungen bzw. um deren Betragsmittelwerte handeln.
Das Berechnungsmittel kann jedoch die Mehrzahl der charakteristischen Größen miteinander verknüpfen, um eine Verknüpfung zu erhalten, wobei die Verknüpfung der Mehrzahl der charakteristischen Größen bereits ein Maß für den empfangsseitigen Frequenzversatz ist.
Beispielsweise berechnet das Berechnungsmittel eine Mehrzahl von Verhältnissen der charakteristischen Größen, wobei jeweils ein Verhältnis von zwei charakteristischen Größen bestimmt wird. Die Verknüpfung, die auf den Frequenzversatz hinweist, kann beispielsweise durch eine Differenz oder durch eine Summe der Verhältnisse ermittelt werden. Der Detektor kann auf der Basis eines Vergleichs der Verknüpfung mit vorgespeicherten Werten den Frequenzversatz bestimmen. Die Verknüpfung kann jedoch auf der Basis der Differenz oder der Summe aller charakteristischen Größen berechnet werden.
Der Frequenzumsetzer kann z.B. ein weiteres Signal ausgeben, dessen Spektrum eine weitere vorbestimmte Mittenfrequenz aufweist, wobei die weitere vorbestimmte Mittenfrequenz sich von der vorbestimmten Mittenfrequenz des Seitenbandsignals unterscheidet. Beide Frequenzen, d.h. die vorbestimmte Mittenfrequenz und die weitere vorbestimmte Mittenfrequenz, sind vorbestimmt. Bei dem weiteren Signal mit der weiteren vorbestimmten Mittenfrequenz kann es sich um das Empfangssignal selbst handeln, das als das weitere Signal ausgegeben wird.
Der Frequenzumsetzer kann jedoch ein weiteres Seitenbandsignal erzeugen, dessen Mittenfrequenz von Null verschieden ist. Die vorbestimmte Mittenfrequenz und die weitere vorbestimmte Mittenfrequenz sind unterschiedlich und betragen beispielsweise 1 kHz oder 2 kHz.
Auf der Basis des Seitenbandsignals und des weiteren Signals, welches das Empfangssignal oder ein Seitenbandsignal sein kann, berechnet das Berechnungsmittel jeweils eine charakteristische Größe. Bei der jeweiligen charakteristischen Größe kann es sich um die Energie des jeweiligen Signals, um dessen Betragsmittelwert oder um dessen Leistung handeln.
Handelt es sich bei den charakteristischen Größen um Energien oder um Leistungen, so berechnet das Berechnungsmittel diese auf der Basis der Erwartungswerte der Betragsquadrate der Abtastwerte des jeweiligen Signals. Hierzu summiert das Betragsmittel beispielsweise eine Mehrzahl von quadrierten Beträgen der Abtastwerte des jeweiligen Signals, um dessen Energie als die charakteristische Größe zu schätzen. Soll hingegen die Leistung bestimmt werden, so skaliert das Berechnungsmittel die Energie durch einen Zeitwert. Handelt es sich bei den charakteristischen Größen um Betragsmittelwerte, so summiert das Betragsmittel die Beträge der Abtastwerte des jeweiligen Signals, um die jeweilige charakteristische Größe zu bestimmen.
Die charakteristischen Größen sind bereits ein Maß für den Frequenzversatz. Um eine genauere Aussage über den Frequenzversatz zu treffen, kann das Berechnungsmittel die charakteristischen Größen miteinander verknüpfen, um eine Verknüpfung zu erhalten, die ebenfalls ein Maß für den Frequenzversatz ist. Zur Berechnung der Verknüpfung kann das Berechnungsmittel beispielsweise ein Verhältnis der charakteristischen Größen oder eine Differenz der charakteristischen Größen oder eine Summe der charakteristischen Größen bestimmen.
Das Berechnungsmittel kann ferner ausgebildet sein, um ein erstes Verhältnis, beispielsweise zwischen der charakteristischen Größe und der weiteren charakteristischen Größe, und um ein zweites Verhältnis, beispielsweise zwischen der weiteren charakteristischen Größe und der charakteristischen Größe, zu bestimmen, und um das erste und das zweite Verhältnis beispielsweise mittels Addition oder Subtraktion miteinander zu verknüpfen.
Der Detektor kann, wie vorstehend beschrieben, den Frequenzversatz auf der Basis eines Vergleichs der Verknüpfung mit einem oder mit einer Mehrzahl von vorgespeicherten Werten bestimmen. Die vorgespeicherten Werte können zuvor bestimmt werden (beispielsweise auf der Basis von Messungen oder von Simulationen) und in einem Speicher abgelegt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Detektor den Frequenzversatz durch das Einsetzen der Verknüpfung in eine mathematische Funktion, die die Verknüpfung eindeutig auf den Frequenzversatz abbildet, berechnen. Eine derartige mathematische Funktion kann beispielsweise durch eine Polynom-Approximation der vorgespeicherten Werte erhalten werden, sodass für beliebige und auch für dazwischenliegende Verknüpfungswerte unterschiedliche Frequenzversätze bestimmt werden können.
Die Verknüpfung, die ein Maß für den Frequenzversatz ist, kann herangezogen werden, um einen gesteuerten Oszillator zu steuern, sodass der empfangsseitige Frequenzversatz durch eine Frequenznachführung auf der Basis der Verknüpfung minimiert wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen gesteuerten Oszillator, der von dem Berechnungsmittel gesteuert wird, sodass eine Oszillatorfrequenz auf der Basis der Verknüpfung gesteuert wird. Die Verknüpfung kann beispielsweise direkt als ein Spannungswert ausgegeben werden, der zur Steuerung eines beispielsweise spannungsgesteuerten Oszillators direkt verwendet werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen des Frequenzversatzes kann ferner ein Filter aufweisen, das dem Frequenzumsetzer vorgeschaltet ist und das ein Filter-Eingangssignal in das Empfangssignal umsetzt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Filter von dem Frequenzumsetzer erfasst sein. Das Filter kann als ein Matched-Filter ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Filter eine Korrelation zwischen dem Filter-Eingangssignal und einer Demodulationssequenz durchführen, um das Empfangssignal zu erhalten. Die Demodulationssequenz kann beispielsweise eine Spreizsequenz sein, die zur empfangsseitigen Entspreizung eingesetzt wird. Spreizsequenzen werden beispielsweise in Spreizspektrumsystemen wie CDMA eingesetzt. Die Demodulationssequenz kann eine beliebige orthogonale Sequenz sein, die zu einer senderseitig verwendeten orthogonalen Modulationssequenz passt, sodass bei der empfangsseitigen Korrelation diejenigen Signalanteile aus dem Eingangssignal extrahiert werden, die entsprechende senderseitige Modulationssequenz aufweisen. Orthogonale Modulationssequenzen werden beispielsweise in orthogonalen Modulationsverfahren eingesetzt.
Zum Durchführen der Korrelation ist das Filter ausgebildet, um die Demodulationssequenz (beispielsweise die Spreizsequenz) und das Eingangssignal koeffizientenweise zu multiplizieren (wobei unter Umständen eine Konjugation des Eingangssignals bzw. der Demodulationssequenz durchgeführt wird) und um die Ergebnisse der Multiplikationen aufzusummieren, um das Empfangssignal bzw. dessen Abtastwert zu erhalten.
Das Filter kann vorgesehen sein, um bei der Filterung gleichzeitig eine Frequenzumsetzung in das Seitenband durchzuführen, um das Seitenbandsignal zu erhalten. Hierzu kann die Demodulationssequenz (beispielsweise die Spreizsequenz oder die orthogonale Sequenz) bereits eine Frequenzumsetzsequenz enthalten, mit deren Hilfe die Frequenzumsetzung durchgeführt wird. Die Frequenzumsetzsequenz kann beispielsweise eine Folge von Koeffizienten einer Sinus- oder einer Kosinus-Schwingung mit der gewünschten Mittenfrequenz sein. Die Frequenzumsetzsequenz kann ferner eine komplexwertige Sequenz sein, deren Koeffizienten Abtastwerte der Gaußschen e-Funktion mit einem komplexwertigen Exponenten sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Frequenzumsetzer einen Multiplizierer aufweisen, um das Eingangssignal oder um das Empfangssignal mit der Frequenzumsetzsequenz zu multiplizieren, um das Seitenband zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung schafft die vorliegende Erfindung einen Empfänger mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung sowie mit einem gesteuerten Oszillator. Die Vorrichtung wird eingesetzt, um einen Frequenzversatz zu bestimmen, welcher der Oszillatorfrequenz anhaftet, und um den Oszillator derart zu steuern, dass der Frequenzversatz minimiert wird.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine genaue Synchronisation vor der Erfassung des Frequenzversatzes nicht notwendig ist, denn die in das Seitenband oder in die Seitenbänder umzusetzenden Folgen können beliebig sein. Darüber hinaus werden keine gesonderten Trainingssequenzen benötigt, um den Frequenzversatz zu erfassen. Des Weiteren kann auch auf PLL-Schaltungen verzichtet werden, um beispielsweise eine Oszillatorfrequenz nachzuführen, weil erfindungsgemäß eine Nachführung der Oszillatorfrequenz auf der Basis der vorstehend beschriebenen Verknüpfung oder bereits auch auf der Basis der für das Seitenbandsignal charakteristischen Größe durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das eine frühe Frequenzsynchronisation bzw. -reduktion des Frequenzversatzes eines Empfängers gegenüber einer Referenzfrequenz des Senders ermöglicht. Früh bedeutet hier, dass eine Korrektur des Frequenzversatzes bereits vor bzw. während des initialen Synchronisations- und Zellsuch-Prozesses stattfindet. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren kann das erfindungsgemäße Verfahren auf beliebige Symbolfolgen eines Kanals angewandt werden, sodass keine Sequenz von zusammenhängenden, aufeinander folgenden Symbolen notwendig ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner auf beliebige, demodulierbare Empfangskanäle angewandt werden und ist somit unabhängig von der nötigen Identifikation von Demodulationssequenzen (z.B. Spreizcode-Sequenzen) von senderspezifischen Pilotkanälen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner vorteilhaft, weil initiale Synchronisations- bzw. Zellidentifikationsprozeduren (zumindest teilweise) mit signifikant reduziertem Frequenzversatz durchgeführt werden können. Daher ist auch eine verbesserte Zelldetektions-Performance zu erwarten.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Leistungsverlust am Korrelator-Ausgang in Abhängigkeit vom Frequenzversatz;
2 ein Blockschaltbild zur Erfassung des Frequenzversatzes;
3 eine Fehlersignalkurve S(f) in Abhängigkeit vom Frequenzversatz f;
4 ein Blockschaltbild zur Schätzung des Frequenzversatzes;
5 ein Sequenzdiagramm auf einer auf dem erfindungsgemäßen Konzept basierenden initialen Zellsuche einer UMTS-Mobilstation;
6 die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Konzeptes; und
7 statistische Eigenschaften des erfindungsgemäßen Konzeptes.
Wie bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Filter aufweisen, das ausgebildet ist, um eine Korrelati on durchzuführen, bei der beispielsweise ein Filtereingangssignal mit einer Spreizsequenz korreliert wird. Am Korrelatorausgang ist dann in Abhängigkeit vom Frequenzversatz ein Leistungsverlust feststellbar. 1 zeigt exemplarisch den Leistungsverlust am Filterausgang (Corr-Out_ferror in dB) in Abhängigkeit vom Frequenzversatz f_error (in ppm). Wie aus 1 ersichtlich, kann bereits aus einem Frequenzversatz von etwa 2 ppm ein Leistungsverlust von 1 dB resultieren. Die in 1 dargestellte Kurve kann beispielsweise auf der Basis von empirischen Messungen oder von Simulationen erstellt werden und in einem Speicher gespeichert sein. Auf der Basis der Messung der Leistung des Ausgangssignals des Filters (des Korrelators) kann bereits auf den Frequenzversatz geschlossen werden.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer Empfangsstruktur mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung (zur Messung) des Frequenzversatzes im Basisband.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 201 ist einem Hochfrequenzteil 203 und einem Front-End 205 nachgeschaltet. Im Hochfrequenzteil 203 kann beispielsweise eine Umsetzung der über die in 2 dargestellte Antenne empfangenen Signale ins Basisband durchgeführt werden. Im Front-End 205 findet beispielsweise die Signalabtastung statt.
Die Vorrichtung 201 umfasst ein Filter 207, bei dem es sich beispielsweise um ein Root-Raised-Cosine-Filter (RRC) handeln kann. Dem Filter 207 ist ein Frequenzumsetzer 209 nachgeschaltet, der das Original-Basisbandsignal auf eines oder auf multiple Seitenbandsignale abbildet. Der Frequenzumsetzer 209 kann beispielsweise als ein Multiphasen-Korrelator (MPC) ausgebildet sein. Dem Frequenzumsetzer 209 ist ein Berechnungsmittel 211 nachgeschaltet, das beispielsweise als ein Frequenz-Varianter-Interpolator (FVI) ausgebildet ist.
Wie bereits erwähnt, kann der Frequenzumsetzer 209 vorgesehen sein, um die basisbandseitige Abbildung des Original-Basisbandsignals auf beispielsweise multiple Seitenbandsignale oder auf ein Seitenband im Basisband durch eine Manipulation der Signalphase des empfangenen, entspreizten Signals (nachfolgend als Symbol bezeichnet) durchzuführen. Dies kann für M Frequenzphasen durchgeführt werden. Die Abbildungsfunktion des Frequenzumsetzers 209, der als ein Multiphasenkorrelator ausgebildet sein kann, lautet beispielsweise:
Hier ist s_m,k das basisbandseitig in das m-te Seitenband abgebildete Symbol zum Empfangszeitpunkt k, r_i,k ist das zum Zeitpunkt k empfangene gespreizte Basisbandsignal bezüglich der Codephase i, N ist der Spreizfaktor, c_i ist das i-te Element der Demodulationssequenz (Spreizsequenz), T_c ist die Signalabtastrate und Δf_m ist die Seitenbandfrequenz bezüglich des Original-Basisbandsignals (Frequenzversatz).
Die M Ausgangssignale des Frequenzumsetzers 209 werden zur weiteren Basisbandsignalverarbeitung in das Berechnungsmittel 211 eingespeist, das beispielsweise mittels einer Interpolation (M-1)-ter Ordnung den empfangsseitigen Frequenzversatz schätzt. Interpolationsansätze sind auf dem Gebiet der digitalen Signalverarbeitung bekannt.
Zur Erzeugung eines geeigneten Fehlersignals, das beispielsweise die bereits erwähnte charakteristische Größe oder die bereits erwähnte Verknüpfung repräsentiert, können verschiedene Fehlerfunktionen herangezogen werden. Exemplarisch wird Bezug auf die folgende Fehlerfunktion S(f) mit zwei Seitenband-Phasen genommen:
Hier ist f = f_sender – f_empfänger der Frequenzversatz des Empfängers und E{s 2 / m} der Erwartungswert der Symbolleistung des basisbandseitig ins m-te Seitenband abgebildeten Empfangssignals.
Δf_x bzw. f_x, wobei x beispielsweise für „Sender" oder „Empfänger" steht, sind die Mittenfrequenzen der Seitenband-Projektionen. Diese sind Parameter der erfindungsgemäßen Vorrichtung und sind nicht vom Frequenzversatz des Senders zum Empfänger abhängig. Vielmehr werden durch Festlegen der Mittenfrequenzen der Seitenbandprojektionen die Eigenschaften der charakteristischen Größen und somit des Fehlersignals beeinflusst.
Durch Berechnen der Umkehrfunktion S^–1(f) kann auf den empfängerseitigen Frequenzversatz geschlossen werden. 3 zeigt eine graphische Interpretation der Formel (2), wobei S(f) auf max(||S(f)||) normiert ist.
Die in 3 dargestellte Fehlersignalkurve kann beispielsweise zuvor empirisch oder auf der Basis von Simulationen bestimmt und in einem Speicher gespeichert werden. Ein dem Berechnungsmittel nachgeschalteter Detektor kann auf der Basis eines Werts für S auf den Frequenzversatz f durch einen Vergleich schließen.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Konzept am Beispiel der initialen Zellsuche einer UMTS-Mobilstation erläutert. Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Vereinfachung, die aus einem linearen FVI und einer MPC-Stufe besteht, welche basisbandseitig das empfangene spreizcodierte Signal auf zwei Seitenbänder abbildet.
4 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung (zur Schätzung) des Frequenzversatzes basierend auf der Demodulation eines spreizcodemodulierten Empfangssignals r_i,k.
Das Empfangssignal wird dem Frequenzumsetzer 209 (MPC) zugeführt. Der Frequenzumsetzer 209 liefert die Signale s_o,k und s_l,k, bei denen es sich beispielsweise um charakteristische Größen der verschiedenen Seitenbänder handelt, die unter Verwendung der Formel (1) berechnet werden. Diese charakteristischen Größen können entweder parallel oder seriell ausgegeben werden. Der dem Frequenzumsetzer 209 nachgeschaltete Interpolator 211 (FVI Berechnungsmittel) berechnet auf der Basis der charakteristischen Größen beispielsweise die in Formel (2) dargestellte Verknüpfung und vergleicht diese Verknüpfung mit Werten, die vorgespeichert sind und die die in 3 dargestellte Kurve repräsentieren, um auf den Frequenzversatz f zu schließen. Der erfasste Frequenzversatz f kann beispielsweise einem gesteuerten Oszillator zugeführt werden, um die Oszillatorfrequenz nachzuführen.
Das Signal r_i,k wird parallel einem Schlitz-Synchronisationsblock 401 (Slot-Synchronisation, SSY) und einem Rahmen-Synchronisationsblock 403 (FSY) zugeführt. Ein Ausgang des Schlitz-Synchronisationsblocks 401 ist mit einem weiteren Eingang des Rahmen-Synchronisationsblocks 403 verbunden.
Das Empfangssignal r_i,k wird ferner dem Zell-Detektionsblock (SCID) 405 zugeführt. Der Block SCID 405 liefert ein Ausgangssignal (Timing, SCR-Code), das beispielsweise einer Zell-Liste zugeführt wird.
Es ist ferner eine Steuereinheit 406 (FSM; FSM = finite state machine) vorgesehen.
Mit dem Signal r wird unter anderem der Synchronisationskanal SCH empfangen, wobei der primäre Synchronisationskanal pSCH sowohl für die Slot-Synchronisation SSY als auch für die initiale Frequenzschätzung demoduliert wird. Nach erfolgter Slot-Synchronisation und Korrektur des Frequenzversatzes der Empfangsstation kann das Signal r den Synchronisationsstufen FSY und SCID zugeführt werden. Die Korrektur der Empfängerfrequenz wird mittels einer Frequenzkontrolleinheit durchgeführt. Im Vergleich zu standardmäßigen Verfahren wird bei dem Verfahren nach 4 die Signalverarbeitung in den Stufen FSY und SCID mit einem deutlich verringerten Frequenzversatz des Empfängers bezüglich der Sendefrequenz durchgeführt.
5 zeigt ein Sequenzdiagramm einer auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basierenden initialen Zellsuche einer UMTS-Mobilstation. Der Frequenzumsetzer 209 führt die Seitenbandprojektion 501 durch. Der Interpolator 201 bestimmt beispielsweise durch Interpolation 503 den Frequenzversatz f, der einem Oszillator-Steuerelement (oscillator control unit) mitgeteilt wird. Daraufhin wird auf der Basis des Frequenzversatzes f in dem Schritt 505 beispielsweise ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCXO) eingestellt. Der spannungsgesteuerte Oszillator gibt dabei ein Signal aus (ack frequency), das die Frequenzeinstellung anzeigt.
Währenddessen ermittelt die SSY-Einheit 401 in dem Schritt 507 die Schlitz-Synchronisierung (get slot timing). Der Rahmen-Synchronisationsblock 403 wartet währenddessen in dem Schritt 509, bis die Frequenz eingestellt wurde. Der Rahmen-Synchronisationsblock 403 ermittelt ansprechend auf das Signal „ack frequency" in dem Schritt 511 die Rahmensynchronisierung (get frame timing). Danach ermittelt die SCID-Einheit 405 den Scrambling Code (get scrabling code) in dem Schritt 513. Die Ergebnisse werden einer Zell-Liste (cell list) mitgeteilt, die in dem Schritt 514 die Zell-Liste aktualisiert (update cell list).
6 verdeutlicht die Performance des erfindungsgemäßen Konzeptes anhand von Simulations-Ergebnissen, bei denen der Betrag des bei der Erfassung des Frequenzversatzes entstandenen Fehlers ||f_error|| (ppm) über dem Frequenzversatz f (ppm) aufgetragen ist.
7 veranschaulicht die statistischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Konzeptes anhand der Verteilung des Schätzfehlers (estimation error distribution) für unterschiedliche Werte des Frequenzversatzes f.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen eines Frequenzversatzes eines Eingangssignals, mit: einem Frequenzumsetzer (209) zum Umsetzen des Empfangssignals in ein Seitenband mit einer vorbestimmten Mittenfrequenz, um ein Seitenbandsignal zu erhalten; und einem Berechnungsmittel (211) zum Berechnen einer für das Seitenbandsignal charakteristischen Größe aus dem Seitenbandsignal, wobei die charakteristische Größe ein Maß für den Frequenzversatz ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Berechnungsmittel (211) ausgebildet ist, um die Energie des Seitenbandsignals oder um dessen Betragsmittelwert oder um die Leistung des Seitenbandsignals als die charakteristische Größe zu berechnen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die einen Detektor aufweist, der ausgebildet ist, um den Frequenzversatz auf der Basis der charakteristischen Größe zu detektieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der Detektor ausgebildet ist, um die charakteristische Größe mit einem vorgespeicherten Wert zu vergleichen, um den Frequenzversatz zu bestimmen, wobei der vorgespeicherte Wert einem Frequenzversatzwert zugeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Frequenzumsetzer (209) ausgebildet ist, um ein weiteres Signal mit einer weiteren vorbestimmten Mittenfrequenz auszugeben, wobei die weitere vorbestimmte Mittenfrequenz sich von der vorbestimmten Mittenfrequenz unterscheidet, und wobei das Berechnungsmittel (211) ausgebildet ist, um eine weitere charakteristische Größe, die für das weitere Signal charakteristisch ist, aus dem weiteren Signal zu berechnen, und um die charakteristische Größe und die weitere charakteristische Größe zu verknüpfen, um eine Verknüpfung zu erhalten, die ein Maß für den Frequenzversatz ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei der Frequenzumsetzer (209) ausgebildet ist, um das Empfangssignal als das weitere Signal auszugeben oder um das Empfangssignal in ein weiteres Seitenband umzusetzen und um ein so erhaltenes weiteres Seitenbandsignal als das weitere Signal auszugeben.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei des Berechnungsmittel (211) ausgebildet ist, um ein Verhältnis der charakteristischen Größen oder um eine Differenz der charakteristischen Größen oder um eine Summe der charakteristischen Größen oder um eine Differenz eines Verhältnisses zwischen der charakteristischen Größe und der weiteren charakteristischen Größe und eines weiteren Verhältnis zwischen der weiteren charakteristischen Größe und der charakteristischen Größe als die Verknüpfung zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, die einen Detektor aufweist, der ausgebildet ist, um den Frequenzversatz auf der Basis der Verknüpfung zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei der Detektor ausgebildet ist, um die Verknüpfung mit einem vorgespeicherten Wert zu vergleichen, um den Frequenzversatz zu detektieren, wobei dem vorgespeicherten Wert ein Frequenzversatzwert zugeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, die einen gesteuerten Oszillator aufweist, wobei das Berechnungsmittel (211) ausgebildet ist, um eine Oszillatorfrequenz des gesteuerten Oszillators auf der Basis der Verknüpfung zu steuern.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, die mit einem gesteuerten Oszillator, wobei das Berechnungsmittel (209) ausgebildet ist, um eine Oszillatorfrequenz des gesteuerten Oszillators auf der Basis der charakteristischen Größe zu steuern.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Frequenzumsetzer (209) ein Filter aufweist, das ausgebildet ist, um ein Eingangssignal in das Empfangssignal umzusetzen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das Filter ein Matched-Filter ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei das Filter ausgebildet ist, um eine Korrelation zwischen dem Eingangssignal und einer Demodulationssequenz durchzuführen, um das Empfangssignal zu erhalten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei die Demodulationssequenz eine Spreizsequenz ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei das Filter ausgebildet ist, um die Demodulationssequenz und das Eingangssignal koeffizientenweise zu multiplizieren und um die Multiplikationsergebnisse aufzusummieren.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Demodulationssequenz eine Frequenzumsetzungssequenz aufweist, sodass bei der Korrelation eine Umsetzung in das Seitenband durchgeführt wird.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der Frequenzumsetzer (209) einen Multiplizierer zum Multiplizieren des Empfangssignals mit einer Frequenzumsetzungssequenz aufweist, um das Seitenbandsignal zu erhalten.
Empfänger, mit der Vorrichtung zum Erfassen eines Frequenzversatzes eines Eingangssignals gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18; und einem gesteuerten Oszillator, wobei das Berechnungsmittel ausgebildet ist, um den gesteuerten Oszillator so zu steuern, dass der Frequenzversatz reduziert wird.
Verfahren zum Erfassen eines Frequenzversatzes eines Eingangssignals, mit: Umsetzen des Empfangssignals in ein Seitenband mit einer vorbestimmten Mittenfrequenz, um ein Seitenbandsignal zu erhalten; und Berechnen einer für das Seitenbandsignal charakteristischen Größe aus dem Seitenbandsignal, wobei die charakteristische Größe ein Maß für den Frequenzversatz ist.
Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem die Energie des Seitenbandsignals oder dessen Betragsmittelwert oder dessen Leistung als die charakteristische Größe berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 20 oder 21, bei dem die charakteristische Größe mit einem vorgespeicherten Wert verglichen wird, um den Frequenzversatz zu bestimmen, wobei der vorgespeicherte Wert einem Frequenzversatzwert zugeordnet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem ein weiteres Signal mit einer weiteren vorbestimmten Mittenfrequenz erzeugt wird, wobei die weitere vorbestimmte Mittenfrequenz sich von der vorbestimmten Mittenfrequenz unterscheidet, bei dem eine weitere charakteristische Größe, die für das weitere Signal charakteristisch ist, aus dem weiteren Signal berechnet wird und bei dem die charakteristische Größe und die weitere charakteristische Größe verknüpft werden, um eine Verknüpfung zu erhalten, die ein Maß für den empfangsseitigen Frequenzversatz ist.
Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem das Empfangssignal als das weitere Signal ausgegeben wird oder bei dem das Empfangssignal in ein weiteres Seitenband umgesetzt wird, wobei ein so erhaltenes weiteres Seitenbandsignal als das weitere Signal ausgegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 23 oder 24, bei dem ein Verhältnis der charakteristischen Größen oder eine Differenz der charakteristischen Größen oder eine Summe der charakteristischen Größen oder eine Differenz eines Verhältnisses zwischen der charakteristischen Größe und der weiteren charakteristischen Größe und eines weiteren Verhältnisses zwischen der weiteren charakteristischen Größe und der charakteristischen Größe als die Verknüpfung bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 25, bei dem die Verknüpfung mit einem vorgespeicherten Wert verglichen wird, um den Frequenzversatz zu detektieren, wobei dem vorgespeicherten Wert ein Frequenzversatzwert zugeordnet ist.
Empfangsverfahren, mit Bestimmen eines Frequenzversatzes durch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 26; und Steuern eines gesteuerten Oszillators auf der Basis des Frequenzversatzes, um den Frequenzversatz zu reduzieren.