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HINTERGRUND
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Ausführungsformen
der beanspruchten Erfindung können sich allgemein auf das
Gebiet der Equalizer in digitalen Kommunikationssystemen und im
Besonderen auf die Initialisierung solcher Equalizer beziehen.
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Equalizer
werden in digitalen Kommunikationssystemen eingesetzt, um die durch
die Übertragungskanäle verursachten Verzerrungen
in einem empfangenen Signal zu entfernen. Diese Equalizer erfüllen
eine wichtige Funktion in digitalen Kommunikationssystemen, insbesondere
in drahtlosen Kommunikationsumgebungen, in denen immer Radiomehrwegübertragung
auftritt. Bei digitalen Rundfunk- und Fernsehsystemen nach ATSC-(Advanced
Television Systems Committee)-Standard wird zum Beispiel ein 8-VSB
(Restseitenband (RSB))-Signal durch einen herkömmlichen
TV-Kanal mit einer Bandbreite von 6 MHz mit einer Symbolrate von 10,76
MHz übertragen. Aufgrund der Mehrwegeausbreitung ist das
von einem Empfänger (z. B. Fernsehgerät) empfangene
Signal eine Kombination aus unzähligen Kopien des übertragenen
8-VSB (Restseitenband (RSB))-Signals, die durch verschiedene Wege
mit unterschiedlicher Ankunftszeit und Phase hindurchgegangen sind.
Wenn die Differenz der Ausbreitungsabstände dieser Signalkopien
größer als 30 Meter ist, was sehr häufig
vorkommt, wird das empfangene Signal durch Intersymbolstörung
verzerrt. In der Praxis kann die Differenz des Ausbreitungsabstands
des TV-Signals bis zu mehreren Kilometer betragen.
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Daher
hat ein Equalizer in einem Fernsehgerät nach ATSC-Standard
typischerweise mehrere hundert Taps und spielt die wichtigste Rolle.
Viele Equalizerstrategien wurden bei auf dem Markt erhältlichen
Fernsehgeräteprodukten nach ATSC-Standard angewendet. Davon
ist der Equalizer mit Entscheidungsrückführung
eine vorherrschende Wahl. Der Equalizer mit Entscheidungsrückführung
weist typischerweise ein FIR-Vorwärtsfilter und ein FIR-Rückwärtsfilter
auf. Die Koeffizienten dieser Filter werden entsprechend einer Fehlermessung
des Equalizerausgangssignals aktualisiert und sind anpassungsfähig
an Veränderungen im Übertragungskanal/in den Übertragungskanälen.
Die Fehlermessung kann auf einem bekannten Ausgangssignal (Trainingsmodus)
oder einer statistischen Eigenschaft (Blindmodus) oder einem Schätzsignal
(Entscheidungsmodus) beruhen. Vor der Koeffizientenanpassung, die
den normalen Equalizerbetrieb kennzeichnet, werden die Koeffizienten
auf geeignete Werte initialisiert.
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Typischerweise
werden die Anfangswerte der Equalizerkoeffizienten von einem geschätzten Kanal
bestimmt, dessen Impulsantwort durch Kreuzkorrelation eines bekannten
Trainingssignals mit dem empfangenen Signal berechnet wird. Es wurden mehrere
Ansätze (z. B. jene in
US
2003/0185295 ,
US 02004/179483 ,
US 2005/0169361 ,
US 2005/0254570 usw.)
zur Generierung der Equalizeranfangskoeffizienten unter Verwendung
eines geschätzten Kanals vorgeschlagen. Basierend auf der verwendeten
Equalizerstruktur wandeln diese Ansätze die Equalizerberechnung
in ein Optimierungsproblem um und lösen das Optimierungsproblem
durch Verfahren wie MMSE. Aufgrund der Berechnungskomplexität
des Optimierungsproblems kann dies mit einer Vielzahl von Vektor-
und Matrixadditionen und -multiplikationen verbunden sein.
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Wenn
die Initialisierungsberechnung durch Software erfolgen würde,
bräuchte man eine leistungsfähige CPU und einen
großer Speicher. Wenn sie durch Hardware erfolgt, können
spezielle Schaltungen für die Initialisierungsberechnung
implementiert werden. Vorausgesetzt, dass die Initialisierung des
Equalizerkoeffizienten nur einmal zur Einstellung der Equalizerkoeffizienten
erfolgt, können kleinere Schaltungen zur Initialisierung
des Equalizers wünschenswert sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten Zeichnungen, die in diese Beschreibung aufgenommen
werden und einen Teil davon bilden, veranschaulichen eine oder mehrere Ausführungsform(en),
die den Prinzipien der Erfindung entsprechen, und erläutern
diese Ausführungsformen gemeinsam mit der Beschreibung.
Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht,
der Schwerpunkt liegt stattdessen auf der Veranschaulichung der
Prinzipien der Erfindung. Es zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm eines Equalizers;
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2 ein
Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform des Trainingssignalgenerators
im Equalizer von 1 und
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3 ein
Flussdiagramm, das einen Prozess zur Initialisierung von Tapwerten
eines Equalizers veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die
folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die
beigefügten Zeichnungen. Gleiche Bezugszeichen können
in verschiedenen Zeichnungen verwendet werden, um gleiche oder ähnliche Elemente
zu bezeichnen. In der folgenden Beschreibung werden zum Zweck der
Erläuterung und nicht der Beschränkung spezielle
Details wie besondere Strukturen, Architekturen, Schnittstellen,
Techniken usw. aufgeführt, um ein genaues Verständnis
der verschiedenen Aspekte der beanspruchten Erfindung zu vermitteln.
Dem Fachmann, dem die vorliegende Offenbarung zugute kommt, wird
jedoch klar sein, dass die verschiedenen Aspekte der beanspruchten
Erfindung in anderen Beispielen, die von diesen speziellen Details
abweichen, praktisch angewendet werden können. In bestimmten
Fällen werden Beschreibungen von weithin bekannten Geräten,
Schaltungen und Verfahren weggelassen, um die Beschreibung der vorliegenden
Erfindung nicht durch unnötige Details unverständlich
zu machen.
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Der
hierin beschriebene Equalizer und Prozess kann Equalizerkoeffizienten
durch Nutzung der Berechnungsfähigkeit des Equalizers initialisieren. Um
dieses Ziel zu erreichen, kann der Equalizer durch Generierung eines
Referenzsignals und eines entsprechenden „empfangenen"
Signals, das vom Rest des Equalizers als Ausgabe des Kanals, mit dem
Referenzsignal als Eingabe, behandelt wird, trainiert werden. Sobald
dieses Training beendet ist, hat sich der Equalizer im Wesentlichen
selbst zu einer geeigneten Menge von Anfangstapkoeffizienten initialisiert.
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Equalizers 100. Der Equalizer 100 kann
sich in einem größeren digitalen Kommunikationssystem
wie einem Demodulator usw. befinden. Der Equalizer 100 kann einen
Kanalschätzer 110, einen Trainingssignalgenerator 120,
einen Vorwärtsequalizer (FFE) 130, einen Equalizer
mit Entscheidungsrückführung (Decision Feedback
Equalizer (DFE)) 140 und zwei Schalter W1 und W2 aufweisen.
Der Equalizer 100 kann auch andere für solche
Equalizer typischen Komponenten wie Addierschaltungen, eine Abkappschaltung,
einen Trellis-Dekodierer usw. aufweisen. Auch wenn solche Komponenten
in 1 vorhanden sind, haben sie bekannte Funktionen,
die von Fachleuten für Equalizer verstanden werden.
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Der
Kanalschätzer 110 kann gestaltet sein, um ein
Signal y(n) zu empfangen und eine Impulsantwort für den
Kanal, durch den sich y(n) ausbreitet, zu generieren. Die Kanalimpulsantwort
kann vom Schätzer 110 durch ein Kreuzkorrelationsverfahren
oder ein Segmentsynchronisationsverfahren berechnet werden, wie
es zum Beispiel in der US-Patentanmeldung 11/763,651, eingereicht
am 15.06.2007 (Akte Nr. P25513), offenbart wird, welches hierin
durch Bezugnahme aufgenommen wird. Der Kanalschätzer 110 kann
jedoch jede geeignete Methode zur Schätzung der Impulsantwort
des Kanals, durch den y(n) empfangen wurde, verwenden, einschließlich
Methoden, die bekannte Synchronisiersignale (z. B. Teilbildsynchronisiersignale und/oder
Segmentsynchronisiersignale) im empfangenen Signal y(n) untersuchen.
Sobald der Schätzer 110 die Kanalimpulsantwort
geschätzt hat, kann er die entsprechenden Koeffizienten
an den Trainingssignalgenerator 120 ausgeben.
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Der
Trainingssignalgenerator 120 kann in manchen Ausführungsformen
ein Kanalfilter 122, einen Referenzsignalgenerator 124 und
einen Verzögerungspuffer 126 aufweisen. Das Kanalfilter 122 kann
in manchen Ausführungsformen ein normales Filter mit endlicher
Impulsantwort (Finite-Impulse response (FIR)) sein. Seine Koeffizienten
können die der Kanalimpulsantwort sein, die vom Kanalschätzer 110 erhalten
wurde.
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Um
das Training des Equalizers 100 durchzuführen,
sollte das vom Generator 124 produzierte Referenzsignal
d(i) weiß sein, und sein Spektrum sollte flach sein. Jedes
Signal mit einem flachen Spektrum kann als Referenzsignal d(i) verwendet werden.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform kann
der in einem Digitalfernsehsystem nach ATSC-Standard eingesetzte
PN511-Sequenzgenerator verwendet werden, um das Referenzsignal d(i), einen
Pseudozufallszahlen-(PN)-Strom, welcher durch x9 +
x7 + x6 + x4 + x3 + x + 1 mit
der Vorlast „010000000" definiert ist, zu erzeugen. In
manchen Implementationen kann der PN-Generator 124 ein BPSK
(binary Phase shift keyed) (binäres Phasenumtastungs-)-Signal
ausgeben, dessen Symbolwert entweder 5 oder –5 ist.
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Das
Kanalfilter
122 kann das Referenzsignal d(i) vom Generator
124 empfangen
und ein pseudoempfangenes Trainingssignal z(n) ausgeben. Die vom
Kanalschätzer geschätzte Kanalimpulsantwort sei
c
k, wobei k = –L
1,
..., –1, 0, 1, ..., L
2 und wobei
c
–L1 ≠ 0 und c
–L1 ≠ 0. L
1 und
L
2 sind positive ganze Zahlen, die die Zahl
der im Kanal vorhandenen Vorechos und Nachechos darstellen. Das
von einem PN-Generator
124 generierte BPSK-Referenzsignal
kann als d(i) dargestellt werden. Das durch das Kanalfilter
122 ausgegebene
Trainingssignal z(n) kann somit formuliert werden durch
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Eine
verzögerte Version d(n) des Referenzsignals d(i) kann aufgrund
des Vorhandenseins des FFE 130 durch den Puffer 126 generiert
werden. Falls die Verzögerung des FFE 130 zum
Beispiel M sein soll, dann sollte die Länge des Puffers
L1 + M sein, um den Kanalkoeffizienten c0 am Haupttag des FFE 130 zu verankern.
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Der
FFE 130 und der DFE 140 sind repräsentativ
für solche Equalizer in ähnlichen Konfigurationen,
die Taps und entsprechende Tapkoeffizienten haben. Basierend auf
den Designspezifikationen des Equalizers 100 können
die Koeffizientenaktualisierungen für den FFE 130 und
den DFE 140 durch einen LMS(Least-Mean-Square)-Algorithmus
oder durch einen RLS(Recursive-Least-Square)-Algorithmus durchgeführt
werden. Der FFE 130 kann eine Eingabe des Trainingssignals
z(n) vom Kanalfilter 122 empfangen, während der
DFE 140 eine Eingabe des verzögerten Referenzsignals
d(n) vom Verzögerungspuffer 126 empfangen kann.
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Das
Fehlersignal, das gleich Equalizerausgang r(n) minus verzögertes
Referenzsignal d(n) ist, wird verwendet, um die Koeffizienten des
FFE 130 und des DFE 140 zu aktualisieren. Wenn
das Aktualisierungsverfahren der Equalizerkoeffizienten des FFE 130 und
des DFE 140 konvergent ist oder wenn die Energie des Fehlersignals
geringer ist als ein voreingestellter Schwellenwert, ist die konvolutionelle Kombination
aus den Equalizer 130/140 und dem Kanalfilter 122 ein
Allpassfilter mit etwas Verzögerung. Weil das Kanalfilter 122 eine
Schätzung des Ausbreitungskanals des empfangenen Signals
ist, entzerrt der Equalizer 100 nach dem Konvergieren somit
den Ausbreitungskanal. Auf diese Weise können das Trainingssignal
z(n) und das verzögerte Referenzsignal d(n), die vom Trainingssignalgenerator 120 ausgegeben
werden, die Koeffizienten des Equalizers 100 (insbesondere
die Equalizerkoeffizienten des FFE 130 und des DFE 140)
initialisieren.
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Weil
der Equalizer 100 ein Entscheidungsrückführungsteil
(z. B. den DFE 140) hat, verwendet er frühere
Symbole, um die Nachechos zu entfernen. Nach dem Konvergieren können
die Schalter W1 und W2 am Equalizer 100 zuverlässig
(von Position 1 während der Initialisierung) auf Position
2 geschaltet werden, um das empfangene Signal „normal"
zu entzerren. Eine solche Umschaltung der Modi von der Initialisierung
auf normalen Betrieb kann zum Beispiel während der Halbbildsynchronisierung
des empfangenen Signals y(n), das auf der Empfängerseite
bekannt ist, durchgeführt werden.
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Auch
wenn die Ausführungsform des Trainingssignalgenerators 120 in 1 ein
funktionelles Design ist, sind andere Ausführungsformen
möglich. Die Länge des Kanalfilters 122 ist
typischerweise gleich der des geschätzten Kanals, die bis
zu mehreren hundert Taps betragen kann. Die meisten dieser Kanaltags
können jedoch aufgrund ihrer schwachen Amplituden vernachlässigt
werden. Der Rest der Taps kann in der Gruppe auftreten. Daher können
unter Berücksichtigung dieser Charakteristika der Fernsehsignalausbreitungskanäle
nach ATSC-Standard die zusätzlichen Schaltungen zur Initialisierung
im Signalgenerator 120 in 1 in manchen
Ausführungsformen geändert werden.
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Es
kann mit angemessener Genauigkeit angenommen werden, dass der geschätzte
Kanal in (N + 1) Segmente aufgeteilt werden kann, von denen jedes
bis zu (L + 1) Taps ungleich Null aufweist. Demzufolge kann das
FIR-Kanalfilter
122 durch (N + 1) kleinere FIR-Filter ersetzt
werden. Die FIR-Kanalausgabe kann somit durch
dargestellt werden, wobei
jeder signifikante Kanalkoeffizient zu einem der Sätze
für n = 0, 1, ...,
N gehört.
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2 ist
ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform des Trainingssignalgenerators 120 im
Equalizer 100 nach einem solchen geänderten Design.
Der Trainingssignalgenerator 120 kann einen PN-Generator 210,
N + 1 kleine FIR-Filter 230-0, ..., 230-N (gemeinsam „Filter 230"),
N + 1 PN-Generatoren 220-0, ..., 220-N (gemeinsam „Generatoren 220")
und einen Kombinator 240 enthalten. Mit Bezug auf 2 schrumpft
die Gesamtzahl der Taps des Kanalfilters auf (N + 1)·(L
+ 1). Ein Satz von Beispielwerten für N und L ist, dass
N = 7 und L = 9 ist.
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Jedes
kleine FIR-Filter 230 hat einen zugehörigen PN-Sequenzgenerator 220.
Diese Generatoren 220 haben die gleiche Logik und werden
je nach Lage der im zugehörigen kleinen FIR-Filter verwendeten
Kanaltags genau zurückgesetzt. Genauer gesagt, kann „das
Zurücksetzen eines PN-Generators" als „Vorladen
eines Anfangswerts in die Register im PN-Generator" definiert werden.
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Falls
zum Beispiel die PN-Generatoren
21 und
220 die
PN511-Logik im ATSC-Standard verwenden, ist der Vorlastwert „010000000".
Das Auftreten des Rückstellsignals des mit dem Kanalkoeffizienten
verbundenen PN-Generators
kann als Zeitpunkt 0 bezeichnet werden. Falls nach dieser Konvention
die Kanalimpulsantwortkoeffizienten [c
i,...,
c
i+L–1] auf kleine FIR-Filter #n
(z. B. Filter
230-n, wobei n zwischen 1 und N beträgt)
angewendet werden, dann sollte das Rückstellsignal #n des
PN-Generators #n (z. B. Generator
220-n) (L
1 +
i) Symboltakte später als der Zeitpunkt 0 sein. Das Rückstellsignal
des PN-Generators für das Referenzsignal d(n) sollte (L
1 + M) Symboltakte später als der
Zeitpunkt 0 sein.
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Auf
diese Weise kann der Zeitgeber 120 in 2 das
Trainingssignal z(n) und das verzögerte Referenzsignal
d(n) zur Verwendung bei der Initialisierung der Tapwerte des FFE 130 und
des DFE 140 produzieren.
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3 ist
ein Flussdiagramm, das einen Prozess 300 zur Initialisierung
von Tapwerten eines Equalizers veranschaulicht. Auch wenn der Prozess 300 mit
Bezug auf den Equalizer 100 beschrieben werden kann, kann
er auch mit einer anderen Vorrichtung durchgeführt werden,
vorausgesetzt, dass die nachstehend beschriebenen Aktionen durchgeführt
werden. Der Prozess 300 kann mit einem Kanalschätzer 110 beginnen,
der die Impulsantwort eines Kanals unter Verwendung eines empfangenen
Signals y(n), das sich durch diesen Kanal ausgebreitet hat [Aktion 310],
schätzt. Beispiele für bekannte Signale, von denen
die Impulsantwort geschätzt werden kann, können
Halbbildsynchronisiersignale und/oder Segmentsynchronisiersignale
innerhalb eines empfangenen ATSC-Rundfunksignals y(n) sein. Die
Impulsantwort des Kanals kann durch den Schätzer 110 unter
Verwendung von Kreuzkorrelationstechniken oder jeder anderen geeigneten
Technik zur Charakterisierung der Impulsantwort von einem empfangenen
Signal geschätzt werden, wobei das übertragene Signal
bekannt ist.
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Die
Verarbeitung kann mit dem Schätzer 110 fortgesetzt
werden, der Koeffizienten der Impulsantwort in einen Kanalfilter 122 (oder
die entsprechenden Filter 230 in 2) [Aktion 320]
lädt. Das Kanalfilter 120/230 kann zum
Beispiel ein FIR-Multitag-Filter sein, das, sobald es mit den (geschätzten) Impulsantwortkoeffizienten
beladen ist, das Verhalten des Kanals, durch den sich das empfangene
Signal y(n) ausgebreitet hat, nachahmt.
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Der
Trainingssignalgenerator 120 kann ein Trainingssignal z(n)
aufbauen, indem er ein Referenzsignal d(i) generiert und durch das
Kanalfilter 122/230 hindurchfährt [Aktion 330].
Das Trainingssignal z(n) wirkt als lokal generiertes „empfangenes" Signal,
das dem Referenzsignal d(i) entspricht, nachdem es durch den Kanal,
dessen Impulsantwort in Aktion 310 geschätzt wurde, übertragen
wurde.
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Als
nächstes kann das Trainingssignal z(n) und eine verzögerte
Version d(n) des Referenzsignals d(i) an die entsprechenden Teile
des Equalizers 100 eingegeben werden, um die Koeffizienten
in diesen Teilen zu trainieren, um das Kanalfilter 122 zu entzerren
[Aktion 340]. In manchen Ausführungsformen kann
das Trainingssignal z(n) in einen Vorwärtsteil FFE 130 gegeben
werden, und das Referenzsignal d(n) kann an einen Rückwärtsteil
DFE 140 eingegeben werden. Der FFE 130 und der
DFE 140 können ihre Tapkoeffizienten basierend
auf einem Fehlersignal, das aus ihrer gemeinsamen Ausgabe r(n) minus
verzögertem Referenzsignal d(n) generiert wird, einstellen.
Das Trainingssignal z(n) und das verzögerte Referenzsignal
d(n) können angewendet werden, bis die Equalizer 130 und 140 konvergieren und/oder
bis die Energie des Fehlersignals vielleicht während einer
Synchronisierungsperiode im empfangenen Signal y(n) unter einen
vorbestimmten Schwellenwert fällt.
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Wenn
das Training in Aktion 340 durch ein geeignetes Kriterium
als abgeschlossen angesehen wird, kann das Training durch Schalten
der Schalter W1 und W2 beendet werden, um den Trainingssignalgenerator 120 vom
Equalizer 120 zu entfernen. Die Koeffizienten, die im FFE 130 und
DFE 140 vorhanden sind, wenn dies eintritt, sind die Initialisierungswerte
für den Equalizer 100 [Aktion 350]. Über den
Prozess 300 hat der Equalizer 100 seine Initialisierungskoeffizienten
unter Verwendung eines intern generierten Trainingssignals z(n),
das von einem internen kanalsimulierenden Filter 122/230 produziert wird,
selbst generiert oder gelernt.
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Das
oben beschriebene Schema und/oder System kann vorteilhaft die Anfangskoeffizientenwerte
eines Equalizers 100 unter Verwendung der eigenen Anpassungsfähigkeit
des Equalizers berechnen. Es schätzt zuerst die Kanalimpulsantwort
unter Verwendung eines bekannten Signals, das in das empfangene
Signal y(n) eingebettet ist. Dann baut der Generator 110 ein
Trainingssignal z(n) auf, um den Equalizer 100 zu trainieren,
indem ein generiertes Referenzsignal d(i) durch einen geschätzten
Kanal (z. B. Filter 122) hindurchgeführt wird.
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Die
vorangehende Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsform(en)
dient der Veranschaulichung und Beschreibung, aber soll nicht erschöpfend
sein oder den Schutzbereich der Erfindung auf genau diese offenbarte
Form beschränken. Änderungen und Variationen sind
angesichts der obigen Beschreibung möglich oder können
aus der praktischen Anwendung der verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung erworben werden.
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Zum
Beispiel können Ausführungsdetails des Equalizers 100 geändert
werden, ohne vom kanalschätzenden und selbstinitialisierenden
Charakter des Equalizers abzuweichen.
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Kein
Element, keine Aktion oder Anweisung, die in der Beschreibung der
vorliegenden Anmeldung verwendet wurde, sollte als entscheidend
oder wesentlich für die Erfindung ausgelegt werden, sofern sie
nicht ausdrücklich als solche beschrieben wird. Auch soll
der Artikel „ein", wie er hierin verwendet wird, ein oder
mehrere Element(e) einschließen. Variationen oder Änderungen
können an der/den oben beschriebenen Ausführungsform(en)
vorgenommen werden, ohne wesentlich vom Geist und den Prinzipien
der Erfindung abzuweichen. Alle diese Änderungen und Variationen
sollen in den Bereich dieser Offenbarung einbezogen und durch die
folgenden Ansprüche geschützt zu werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2003/0185295 [0004]
- - US 02004/179483 [0004]
- - US 2005/0169361 [0004]
- - US 2005/0254570 [0004]