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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Übertragungsqualität beim Empfangen von Audiosignalen.
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Die Übertragungsqualität (LQI – Link Quality Indicator) heutiger FM(Frequenzmodulations)-Strecken zur Audioübertragung wird anhand der gemessenen Empfangsleistung des Eingangssignales, dem sogenannten RSSI-Wert (Received Signal Strength Indicator), und der subjektiven Empfindung durch das menschliche Ohr beurteilt. Nachteilig bei beiden Verfahren ist, dass das Ohr die unzureichende Qualität erst bemerkt, wenn der Störfall bereits eingetroffen ist, subjektive Beurteilungen sich schwer generalisieren lassen, die Automatisierung des Hörverfahrens extrem schwierig ist und der RSSI-Wert nur anzeigt, dass Leistung im Kanal vorhanden ist, aber nicht zwischen Nutzsignal und Inbandstörer unterscheidet, d. h., ein großer RSSI-Wert lässt nicht die Aussage zu, ob ein großes Nutzsignal vorliegt oder ein großes Störsignal oder zwei annähernd große Nutz- und Störsignale.
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Die Auswertung des RSSI zur Beurteilung der Übertragungsqualität ist somit nur dann sinnvoll, wenn das System nur durch thermisches Rauschen beeinträchtigt wird.
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1 zeigt ein Konstellationsdiagramm einer QPSK und insbesondere eine Darstellung des EVM Wertes. Bei digitalen Übertragungssystemen kann die Übertragungsqualität über den EVM-Wert (Error Vector Magnitude) ermittelt werden, der angibt, wie weit der empfangene Punkt im Konstellationsdiagramm vom ideal zu erwartenden Punkt abweicht normiert auf den mittleren Abstand der Konstellationspunkte auf den Koordinatenursprung.
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2 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild für ein analoges FM-Frontend. Der Radioteil herkömmlicher FM-Empfänger ist analog aufgebaut. Das ankommende analoge RF-Signal wird über die Antenne 100 empfangen, einer Filterung 200 unterzogen, vom LNA 300 verstärkt und am ersten Mischer 400 auf die erste ZF runtergemischt. Nach Kanalfilterung 600 wird das Signal einem Limiter 700 eingegeben, dessen Ausgang den FM-Demodulator 800 speist. Der Ausgang des FM-Demodulators 800 wird durch einen Tiefpass 900 tiefpassgefiltert. Der Ausgang des Tiefpasses 900 ist das Ausgangssignal AO.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzusehen, welches es ermöglicht, die Übertragungsqualität einer FM-Strecke objektiv im Betrieb zu messen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Übertragen von Audiosignalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Somit wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Übertragungsqualität beim Empfangen von Audiosignalen beschrieben, die über eine frequenzmodulierte Strecke analog übertragen werden. Hierzu wird ein frequenzmoduliertes Audiosignal empfangen und eine IQ-Demodulation des Eingangssignals wird durchgeführt. Der I- und der Q-Zweig des demodulierten Basisbandsignales werden einer Analog/Digitalwandlung unterzogen. Alternativ kann das Eingangssignal zuerst digitalisiert und dann IQ-demoduliert werden. Eine Mehrzahl von N Samples wird erfasst. Der Betrag der N Samples wird gebildet. Es wird ein Referenzwert aus der Menge der N Samples bestimmt. Jedes der N Samples wird auf den Referenzwert normiert. Ein Maß der Schwankungen der normierten Beträge wird bestimmt. Das Maß der Schwankungen zeigt die Qualität der Übertragungsstrecke an.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen zur Erhöhung der Übertragungsqualität eingeleitet, wenn das Maß der Schwankungen bzw. der Gradient des Maßes einen Schwellwert überschreitet. Maßnahmen sind: Frequenzwechsel der frequenzmodulierten Strecke oder Erhöhung der Senderleisung des Senders der frequenzmodulierten Strecke oder Reduktion der Sendeleistung des Störsenders bzw. Störsender, wenn mehrere vorliegen oder das Störsignal ein Produkt mehrerer Sender (z. B. Intermodulationsprodukte 3. Ordnung) ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das Maß der Schwankungen eine Standardabweichung oder eine mittlere absolute Abweichung dar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Verteilung der Beträge bestimmt, um daraus Rückschlüsse auf in der Übertragungsstrecke vorhandene Störer ziehen zu können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Kurtosisfaktor als Maß für die Verteilung des Betrages der N-Samples bestimmt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird anhand der Verteilung der Beträge oder des Kurtosisfaktors abgeleitet, welcher Störer in der FM-Strecke vorhanden ist.
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Die Erfindung betrifft den Gedanken, dass bei einem analogen Übertragungsverfahren eine EVM-Auswertung nicht möglich ist. Daher wird auf ein anderes Verfahren zur Ermittlung der Übertragungsqualität LQI zurückgegriffen.
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Daher wird erfindungsgemäß eine analoge Frequenzmodulation (welche eine konstante Einhüllende, d. h. eine konstante Amplitude, aufweist) mit einem Inphase/Quadrature (IQ) Demodulator zu kombinieren. Das Eingangssignal wird einer IQ-Demodulation unterzogen und die Ausgangssignale der IQ-Demodulation werden digitalisiert. Ebenso ist es möglich, das Eingangssignal erst zu digitalisieren und danach zu demodulieren. Eine Anzahl von N Samples der digitalisierten Eingangssignale wird erfasst und der Betrag der N Samples wird gebildet. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass die Samples der digitalisierten Eingangssignale komplexe Zahlen darstellen, so dass der Betrag B die Wurzel aus der Summe der Quadrate des I-Zweiges und des Q-Zweiges darstellt. Die Beträge werden auf einen Referenzwert normiert. Anschließend wird ein Maß der Schwankungen der Beträge bestimmt. Das Maß der Schwankungen der Beträge zeigt die Qualität der Strecke an. Als Konsequenz daraus kann die Frequenz der FM-Strecke gewechselt werden oder die Leistung der FM-Strecke kann angehoben werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt ein Konstellationsdiagramm einer QPSK und insbesondere eine Darstellung des EVM Wertes,
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2 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild für ein analoges FM-Frontend,
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3 zeigt ein Blockdiagramm eines Frontendes mit IQ-Demodulator gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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4, zeigt ein Konstellationsdiagramm bei einer idealen FM-Übertragung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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5 zeigt einen Graphen als Simulationsergebnis den Verlauf der Standardabweichung als Funktion vom Carrier-Interferer-Ratio (CIR) inklusive der Abweichung der simulierten Standardabweichung in [%] als Maß der möglichen Messgenauigkeit,
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6 zeigt einen Graphen der Häufigkeitsverteilung des Betrags bei einer rauschartigen Störung, und
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7 zeigt einen Graphen der Häufigkeitsverteilung des Betrags bei einer Störung durch eine zweite FM-Strecke.
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3 zeigt ein Blockdiagramm eines Frontendes mit IQ-Demodulator gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Eine Frontend-Einheit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist eine Antenne 100, ein Filter 200, einen LNA 300 und einen ersten Mischer 400, welcher das Signal auf eine erste Zwischenfrequenz ZF heruntermischt. Anschließend ist eine Kanalfilterung 600 vorgesehen. Der Ausgang der Kanalfilterung 600 wird an den IQ-Demodulator 1000 weitergegeben. Der IQ-Demodulator 1000 teilt den Ausgang der Kanalfilterung 600 in einen I- und einen Q-Zweig auf. Der IQ-Demodulator 1000 weist einen Frequenzgenerator 1030 auf. In dem I-Zweig ist ein Mixer 1060 vorgesehen, welcher das Ausgangssignal der Kanalfilterung 600 mit dem durch den Frequenzgenerator 1030 erzeugten Signal mixt. Das Ausgangssignal wird einer Tiefpassfilterung durch ein Tiefpassfilter 902 unterzogen. Anschließend erfolgt eine Analog/Digitalwandlung in einem Analog/Digitalwandler 1020. Das digitalisierte Signal stellt dann den Ausgang des I-Zweiges dar und wird einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 1080 zugeführt. In dem Q-Zweig ist ein Mischer 1050 vorgesehen, welcher das Ausgangssignal der Kanalfilterung 600 mit einem um 90° phasenverschobenen Ausgangssignal des Frequenzgenerators 1030 vermischt. Das Ausgangssignal des Mischers 1050 wird einer Tiefpassfilterung durch ein Tiefpass 901 unterzogen und das Ausgangssignal des Tiefpasses 901 wird in einem A/D-Wandler 1010 einer A/D-Wandlung unterzogen. Das digitalisierte Ausgangssignal entspricht dabei dem Ausgang des Q-Zweiges und wird der digitalen Signalverarbeitungseinheit 1080 zugeführt.
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Gemäß der Erfindung wird anstelle der FM-Demodulation eine IQ-Demodulation durchgeführt. Das Eingangssignal wird mit Hilfe eines Inphase/Quadrature-Verfahren (I/Q-Verfahren) demoduliert, indem ein IQ-Demodulator 1000 anstelle des Limiters und FM-Demodulators eingefügt und danach eine Analog/Digital-Wandlung 1010, 1020 durchgeführt wird. Die I und Q Ausgangssignale Iout, Qout können dann digital weiterprozessiert werden. Alternativ kann die Digitalwandlung bereits nach der AGC 610 durchgeführt und das digitale Signal dann IQ-demoduliert werden.
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Optional kann eine Automatic Gain Control Einheit AGC 610 vorgesehen sein. Die Automatic Gain Control Einheit 610 dient dazu, Schwankungen des Audiosignals bei der Übertragung über den Kanal auszugleichen bzw. anzupassen.
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4 zeigt ein Konstellationsdiagramm bei einer idealen FM-Übertragung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Bildet man die empfangenen I/Q-Signale auf einer komplexen Ebene ab, ergibt sich im Falle der FM-Übertragung im Idealfall ein rotierender Kreis, da FM-Signale keinen Amplitudenanteil besitzen.
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Ist dem Sendesignal ein Störsignal überlagert oder der Signal-Rausch-Abstand (SNR) zu gering, zeigen sich auf dem Einheitskreis von 4 Amplitudenschwankungen. Berechnet man nun die Standardabweichung des Betrages des normierten Einheitskreises über einer Anzahl N von eingegangen I/Q-Samples, erhält man ein quantitatives Maß für die Qualität der drahtlosen Übertragung.
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5 zeigt einen Graphen als Simulationsergebnis den Verlauf der Standardabweichung als Funktion der Carrier-InterfererRatio (CIR) inklusive der Abweichung der simulierten Standardabweichung in [%] als Maß der möglichen Messgenauigkeit. Man erkennt, dass bei kleiner werdenden Werten der Standardabweichung die Werte der Abweichung der Standardabweichung zunehmen, somit die Messgenauigkeit abnimmt.
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Im kritischen Betriebsfall (–10 dB < CIR < 10 dB) liegt die Genauigkeit des Messwertes kleiner 4%, was zeigt, dass die Standardabweichung ein verlässlicher Qualitätsparameter darstellt. Im Idealfall wird nur noch ein Frontend mit IQ-Demodulation benutzt, um sowohl den LQI als auch die FM-Demodulation digital durchzuführen.
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Durch die I/Q-Demodulation ist es zusätzlich möglich, weitergehende Informationen über die Art der Störung zu ermitteln. Aus N gemessenen I/Q-Samples kann die Häufigkeitsverteilung des Betrages berechnet werden. Je nach Störsignal ergibt sich somit eine typische Verteilungsfunktion.
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6 zeigt einen Graphen der Häufigkeitsverteilung des Betrags bei einer rauschartigen Störung. Handelt es sich bei der Störung ausschließlich um weißes gaußsches Rauschen (WGN), dann ähnelt die Häufigkeitsverteilung einer Gaußverteilung.
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7 zeigt einen Graphen der Häufigkeitsverteilung des Betrags bei einer Störung durch eine zweite FM-Strecke. Handelt es sich bei der Störung hingegen um einen FM-modulierten Interferer, dann ähnelt die Häufigkeitsverteilung einer Badewannenfunktion. Mit dem statistischen Maß Kurtosis
mit k = kurtosis,
x = Mittelwert der Samples x
i können diese beiden Verteilungsfunktionen unterschieden werden. So ist die Berechnung des Kurtosis über den Betrag der N gemessenen I/Q-Samples ein Maß dafür, welche Art von Störung des FM-Signales vorliegt. Diese Zusatzinformation erlaubt es, die Störsituation präziser zu beurteilen und den Einfluss des Störers auf die subjektive Empfindung des menschlichen Ohres abzuschätzen.
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FM-Signale, deren SNR- oder CIR-Wert weit über 30 dB liegt, ergeben einen Kurtosis-Wert deutlich größer 3.
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In den 6 und 7 stellt die X-Achse den Betrag der IQ-Samples dar.
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In den 6 und 7 sind Graphen gezeigt, die auf 5000 Samples basieren. In dem Graphen von 6 beträgt der Kurtosiswert 2,97 und in dem Graphen von 7 beträgt der Kurtosiswert 1,59. Bei der in 6 gezeigten Verteilungsfunktion mit einer Häufung im Wesentlichen in der Mitte um 0,5 herum kann davon ausgegangen werden, dass ein gaußsches Rauschen als Störung in der FM-Strecke vorhanden ist.
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Im Gegensatz dazu ähnelt die Verteilungsfunktion von 7 eher einer Badewanne und lässt den Rückschluss zu, dass ein zweiter Störer in der FM-Strecke vorhanden ist. Somit können durch eine Analyse der Verteilungsfunktion Rückschlüsse auf den bzw. die Störer in der FM-Strecke abgeleitet werden.
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Gemäß der Erfindung kann eine Standardabweichung bzw. eine mittlere quadratische Abweichung als ein Maß für die Schwankungen der normierten Beträge verwendet werden. Alternativ dazu kann eine mittlere absolute Abweichung als Maß für die Schwankungen verwendet werden. Die mittlere absolute Abweichung hat den Vorteil, dass anstelle einer Quadrierung lediglich eine einfache Betragsbildung benötigt wird. Optional können Fehler eines einzelnen Samples gewichtet werden.
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Da die Ausgangssignale des IQ-Demodulators komplexe Zahlen sind, wird der Betrag dieser Zahlen durch die folgende Formel beschrieben:
wobei B der Betrag der komplexen Zahl ist.
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Gemäß der Erfindung werden die Schwankungen der Amplituden erfasst, wobei erfindungsgemäß ein Referenzwert aus der Menge der N Samples bestimmt wird. Dieser Referenzwert kann auf einem relativen Fehler beruhen. Die Beträge der erfassten digitalisierten Eingangssignale werden auf den Referenzwert normiert, und mittels einer Standardabweichung wird ein Maß der Schwankungen bestimmt.
