DE102014119292B4

DE102014119292B4 - Signalzeitgebung

Info

Publication number: DE102014119292B4
Application number: DE102014119292.3A
Authority: DE
Inventors: c/o Imagination Technologies Limit Taylor Neil
Original assignee: Imagination Technologies Ltd
Current assignee: Imagination Technologies Ltd
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2034-12-20
Also published as: US20150180645A1; GB201322503D0; DE102014119292A1; CN104734840A; GB201421666D0; GB2523225B; US9143312B2; CN104734840B; GB2523225A

Abstract

Verfahren zur Einstellung einer Empfängerzeitgebung, sodass diese genauer mit einer Signalzeitgebung eines Datensignals übereinstimmt, wobei das Verfahren umfasst:
Empfangen des Datensignals in Übereinstimmung mit der Empfängerzeitgebung;
Ermitteln eines ersten Satzes Phasenfehlerangaben, die Phasenfehler zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung gemäß einem bestimmten Phasenfehleralgorithmus angeben, wobei der erste Satz Phasenfehlerangaben einen Fehlervektor bildet;
Anwenden einer Fourier-Transformation auf den Fehlervektor;
Analysieren der Fourier-Transformation des Fehlervektors, um eine Frequenzkomponente des Fehlervektors zu ermitteln, die eine Frequenzdifferenz zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung identifiziert;
Einstellen der Empfängerzeitgebung basierend auf der identifizierten Frequenzdifferenz;
Ermitteln eines Durchschnitts eines zweiten Satzes Phasenfehlerangaben, die Phasenfehler zwischen der eingestellten Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung gemäß dem bestimmten Phasenfehleralgorithmus angeben; und
Einstellen der Empfängerzeitgebung basierend auf dem ermittelten Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben.

Description

Hintergrund
Datensignale, die von einem Sender gesendet wurden, können an einem Empfänger empfangen werden. Das Datensignal wird mit einer Trägerfrequenz gesendet und kann digitale Daten in Form von Datensymbolen enthalten. Die Datensignale können drahtlose Signale, wie z.B. Funksignale, sein, die durch einen Drahtloskanal gesendet werden, oder drahtgebundene Signale, die auf einem drahtgebundenen Kanal, wie z.B. unter Verwendung eines Koaxialkabels, gesendet werden.
Ein Empfänger arbeitet bei einer Basisbandfrequenz. Um ein digitales Datensignal richtig zu empfangen, wird das Datensignal aus der Trägerfrequenz auf die Basisbandfrequenz heruntergemischt. Um dies zu tun, ermittelt der Empfänger die Trägerzeitgebung (d.h. die Trägerfrequenz und -phase) der Wellenform des empfangenen Datensignals. Ebenso wie das Ermitteln der Trägerfrequenz und -phase wird die Zeitgebung der Datensymbole so ermittelt, dass der Empfänger die Datensymbole mit der richtigen Frequenz und Phase (d.h. mit der richtigen Zeitgebung) abtasten kann, um die gesendeten Datensymbole getreu wiederzugeben.
Der Empfänger verwendet eine Empfängerträgerzeitgebung, die er so einstellen kann, dass sie mit der Trägerzeitgebung des Datensignals übereinstimmt (oder „sich auf diese einstellt“). Desgleichen verwendet der Empfänger eine Empfängersymbolzeitgebung, die er so einstellen kann, dass sie mit der Symbolzeitgebung des Datensignals übereinstimmt (oder „sich auf diese einstellt“). Um die Empfängerzeitgebung (wobei die „Empfängerzeitgebung“ z.B. die Empfängerträgerzeitgebung und/oder die Empfängersymbolzeitgebung ist) einzustellen, ermittelt der Empfänger eine Angabe eines Phasenfehlers zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung (wobei die „Signalzeitgebung“ z.B. die Datensignalträgerzeitgebung und/oder die Datensignalsymbolzeitgebung ist) und stellt dann die Empfängerzeitgebung basierend auf der ermittelten Phasenfehlerangabe ein, um dadurch den Fehler zu reduzieren. Dies kann wiederholt durchgeführt werden, um die Empfängerzeitgebung eng an die Signalzeitgebung zu synchronisieren. Es gibt Phasenfehleralgorithmen, die durch Abtasten des Datensignals gemäß der Empfängerzeitgebung und Messen eines Phasenfehlers für einzelne Abtastwerte Phasenfehlerangaben (oder „Fehlermetriken“) für Träger- und Symbolphasenverschiebungen ermitteln. Wenn jedoch solche Phasenfehleralgorithmen (die Fehler für einzelne Abtastwerte messen) in Gegenwart von Rauschen oder Kanalverzerrung verwendet werden, können die ermittelten Phasenfehlerangaben aufgrund des Rauschens und/oder der Kanalverzerrung unzuverlässig sein. Um dieses Problem zu bewältigen, können die Phasenfehlerangaben über eine Mittelungsperiode, die zahlreiche Abtastwerte umfasst, gemittelt werden, um eine stabilere und genauere Phasenfehlerangabe zu erreichen. Die gemittelten Phasenfehlerangaben können an Phasenregelkreise (PLL), die die lokalen Oszillatoren und die Abtastzeitgebungshardware des Empfängers steuern, weitergeleitet werden, um die Empfängerträger- und -symbolzeitgebung an die Signalträger- und -symbolzeitgebung des eintreffenden Datensignals anzupassen.
Bei Symbolzeitgebung verursacht jeder beliebige Fehler (hier als „Abtastratenverschiebung“ bezeichnet) zwischen der Rate (d.h. der Frequenz), mit der der Empfänger das empfangene Signal abtastet, und der Rate, mit der die Datensymbole in dem Datensignal auftreten, dass die Abtastpunkte gegenüber idealen Abtastpunkten ausreißen (oder „abweichen“ (engl. drift)). Da die Zeitgebung der Empfängerabtastung gegenüber der idealen Signalzeitgebung (gemäß der Signalsymbolzeitgebung) variiert, variiert der Phasenfehler gegenüber der Mittelungsperiode. Die Mittelung der variierenden Phasenfehlerangaben über die Mittelungsperiode reduziert die Genauigkeit der Phasenfehlermessung, falls der Phasenfehler über die Mittelungsperiode signifikant variiert hat. Es besteht eine Grenze dessen, wie stark die Phasenfehlermessungen über die Mittelungsperiode variieren können, bevor die Phasenfehlermessungen nicht mehr zweckdienlich darin sind, die Empfängerzeitgebung der Signalzeitgebung anzupassen. Falls die von dem Empfänger verwendete Verschiebung der Abtastzeitgebung gegenüber der Signalzeitgebung über die Mittelungsperiode um mehr als einen Bruchteil einer Symbolperiode variiert, kann es sein, dass die vom Phasenfehleralgorithmus ermittelte gemittelte Phasenfehlerangabe kein verlässlicher Messwert mehr ist, mit dem die Empfängersymbolzeitgebung richtig eingestellt werden kann, und die Signalerfassung am Empfänger kann versagen. Eine ähnliche Grenze gilt für ein Einstellen der Empfängerträgerzeitgebung, sodass sie mit der Signalträgerzeitgebung übereinstimmt, wobei die von einem Phasenfehleralgorithmus ermittelten Phasenfehlerangaben bedeutungslos werden können, wenn sich der Phasenfehler über eine Mittelungsperiode signifikant ändert.
Daher werden die oben beschriebenen Phasenfehleralgorithmen dazu verwendet, Zeitgebungsfeinsynchronisierung durchzuführen, sobald eine geringe Symbol- und/oder Trägerratenverschiebung erreicht wurde. Um eine geringe Symbol- und Trägerratenverschiebung zu erreichen, werden anfangs andere Verfahren angewandt, um Zeitgebungsgrobsynchronisierung durchzuführen, um ausreichend geringe Symbol- und Trägerratenverschiebungen zu erreichen, sodass die oben beschriebenen Phasenfehleralgorithmen für die Zeitgebungsfeinsynchronisierung angewandt werden können. Daher implementiert der Empfänger zwei Phasenfehleralgorithmen (einen zum Durchführen von Zeitgebungsgrobsynchronisierung und einen zum Durchführen von Zeitgebungsfeinsynchronisierung) und implementiert einen Ablauf zur Übergabe zwischen den beiden Algorithmen.
Aus der US 2007 / 0041 456 A1 ist ein Verfahren zum Abschätzen eines Ausbreitungskanals bekannt, bestehend aus aufeinanderfolgenden Symbolen eine Mehrträger-Signals, umfassend wenigstens einen Referenzpiloten und mehrere Datentragende Frequenzen. Das darin beschrieben Verfahren umfasst insbesondere wenigstens einen Schritt bestehend aus dem Korrigieren des wenigstens einen ReferenzPiloten auf Basis einer ersten Schätzung des Ausbreitungskanals, um eine zweite, genauere Schätzung des Kanals bereitzustellen.
Kurzfassung
Diese Kurzfassung ist bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung weiter unten eingehender beschrieben sind. Diese Kurzfassung soll weder dazu dienen, zentrale Merkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch soll sie dazu dienen, den Schutzumfang des beanspruchten Gegenstands einzuschränken.
In hier beschriebenen Beispielen werden nicht unterschiedliche Phasenfehleralgorithmen zur Zeitgebungsgrobsynchronisierung und zur Zeitgebungsfeinsynchronisierung verwendet, sondern ein Phasenfehleralgorithmus kann sowohl für die Zeitgebungsgrobals auch für die -feinsynchronisierung verwendet werden. Das vereinfacht den Vorgang und reduziert die Menge an Hardware, die dazu verwendet wird, die hier beschriebenen Verfahren zu implementieren, im Vergleich zur Verwendung unterschiedlicher Algorithmen für die Zeitgebungsgrob- und -feinsynchronisierungsstufen, wie in den oben stehend im Hintergrundabschnitt beschriebenen Beispielen. Um Zeitgebungsgrobsynchronisierung durchzuführen, können die Phasenfehlerangaben, statt über eine Mittelungsperiode gemittelt zu werden, über eine Abtastperiode zum Ausbilden eines Fehlervektors verwendet werden und kann eine Fourier-Transformation an dem Fehlervektor angewandt werden. Eine Analyse der Fourier-Transformation des Fehlervektors kann dazu verwendet werden, eine Frequenzkomponente zu ermitteln, die eine Verschiebung zwischen der Empfängerfrequenz und der Signalfrequenz identifiziert. Die Empfängerzeitgebung (z.B. die Frequenz der Empfängerzeitgebung) kann dann gemäß der identifizierten Verschiebung eingestellt werden, wodurch die Zeitgebungsgrobsynchronisierung durchgeführt wird. Sobald die Zeitgebungsgrobsynchronisierung angewandt wurde, kann derselbe Phasenfehleralgorithmus ohne die Fourier-Transformation dazu verwendet werden, die Zeitgebungsfeinsynchronisierung zu implementieren. Die Empfängerzeitgebung und die Signalzeitgebung können eine Empfängersymbolzeitgebung bzw. eine Signalsymbolzeitgebung sein. Alternativ dazu können die Empfängerzeitgebung und die Signalzeitgebung eine Empfängerträgerzeitgebung bzw. eine Signalträgerzeitgebung sein.
Insbesondere ist ein Verfahren zur Einstellung einer Empfängerzeitgebung, sodass diese genauer mit einer Signalzeitgebung eines Datensignals übereinstimmt, bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen des Datensignals in Übereinstimmung mit der Empfängerzeitgebung; Ermitteln eines ersten Satzes Phasenfehlerangaben, die Phasenfehler zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung gemäß einem bestimmten Phasenfehleralgorithmus angeben, wobei der erste Satz Phasenfehlerangaben einen Fehlervektor bildet; Anwenden einer Fourier-Transformation auf den Fehlervektor; Analysieren der Fourier-Transformation des Fehlervektors, um eine Frequenzkomponente des Fehlervektors zu ermitteln, die eine Frequenzdifferenz zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung identifiziert; Einstellen der Empfängerzeitgebung basierend auf der identifizierten Frequenzdifferenz; Ermitteln eines Durchschnitts eines zweiten Satzes Phasenfehlerangaben, die Phasenfehler zwischen der eingestellten Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung gemäß dem bestimmten Phasenfehleralgorithmus angeben; und Einstellen der Empfängerzeitgebung basierend auf dem ermittelten Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben.
In manchen Beispielen umfasst der Schritt des Einstellens der Empfängerzeitgebung basierend auf der identifizierten Frequenzdifferenz ein Einstellen der Frequenz der Empfängerzeitgebung basierend auf der identifizierten Frequenzdifferenz; und umfasst der Schritt des Einstellens der Empfängerzeitgebung basierend auf dem ermittelten Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben ein Einstellen der Phase der Empfängerzeitgebung basierend auf dem ermittelten Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben. Des Weiteren kann der erste Satz Phasenfehlerangaben über eine erste Abtastperiode ermittelt werden und kann der Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben über eine zweite Abtastperiode ermittelt werden (wobei z.B. die erste Abtastperiode länger sein kann als die zweite Abtastperiode). Die Signalzeitgebung kann eine Symbolzeitgebung von Datensymbolen im Datensignal sein, und die Empfängerzeitgebung kann die Zeitgebung sein, mit der das Datensignal abgetastet wird, um in dem Schritt des Empfangens des Datensignals die Datensymbole zu ermitteln, wobei in diesem Fall der bestimmte Phasenfehleralgorithmus der Gardner-Algorithmus sein kann. Die Signalzeitgebung kann eine Trägerzeitgebung des Datensignals sein, und die Empfängerzeitgebung kann eine Schätzung der Trägerzeitgebung sein, die im Schritt des Empfangens des Datensignals verwendet wird.
Es ist ein Empfänger bereitgestellt, der ausgelegt ist, eine Empfängerzeitgebung so einzustellen, dass sie genauer mit einer Signalzeitgebung eines Datensignals übereinstimmt, wobei der Empfänger umfasst: ein Empfangsmodul, das ausgelegt ist, das Datensignal in Übereinstimmung mit der Empfängerzeitgebung zu empfangen; ein Fehlermodul, das ausgelegt ist, einen ersten Satz Phasenfehlerangaben zu ermitteln, die Phasenfehler zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung gemäß einem bestimmten Phasenfehleralgorithmus angeben, wobei der erste Satz Phasenfehlerangaben einen Fehlervektor bildet; und ein Fourier-Transformationsmodul, das ausgelegt ist, eine Fourier-Transformation auf den Fehlervektor anzuwenden, wobei das Fourier-Transformationsmodul ferner ausgelegt ist, die Fourier-Transformation des Fehlervektors zu analysieren, um eine Frequenzkomponente des Fehlervektors zu ermitteln, die eine Frequenzdifferenz zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung identifiziert; wobei das Empfangsmodul ausgelegt ist, die Empfängerzeitgebung basierend auf der identifizierten Frequenzdifferenz einzustellen; wobei das Fehlermodul ausgelegt ist, einen Durchschnitt eines zweiten Satzes Phasenfehlerangaben zu ermitteln, die Phasenfehler zwischen der eingestellten Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung gemäß dem bestimmten Phasenfehleralgorithmus angeben; und wobei das Empfangsmodul ausgelegt ist, die Empfängerzeitgebung basierend auf dem ermittelten Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben einzustellen.
Es kann ein computerlesbares Speichermedium bereitgestellt sein, auf dem computerlesbarer Code verschlüsselt ist, der so angepasst ist, dass er die Schritte eines der hier beschriebenen Verfahren ausführt, wenn der Code auf einem Computer abgespielt wird.
Die obigen Merkmalen können nach Bedarf kombiniert werden, was sich Fachleuten klar erschließt, und können mit jedem beliebigen der Aspekte der hier beschriebenen Beispiele kombiniert werden.
Figurenliste
Es werden nun im Detail Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:

1 eine einfache Darstellung eines Empfängers zeigt;
2 ein funktionelles Blockschaltbild von Modulen zeigt, die von einem Prozessor eines Empfängers implementiert sind;
3 ein Flussbild für ein Verfahren zur Einstellung einer Empfängerzeitgebung, sodass sie genauer mit einer Signalzeitgebung eines Datensignals übereinstimmt, zeigt;
4 ein Graph ist, der ideale Abtastpunkte auf einem Datensignal zeigt;
5 ein Graph ist, der nicht ideale Abtastpunkte auf einem Datensignal zeigt;
6 ein Graph ist, der die gemäß einem Phasenfehleralgorithmus mit drei unterschiedlichen Abtastratenverschiebungen ermittelten Phasenfehlerangaben zeigt;
7 ein Graph ist, der die Fourier-Transformation eines Fehlervektors von Phasenfehlerangaben in einem ersten Beispiel zeigt;
8 ein Graph ist, der die Fourier-Transformation eines Fehlervektors von Phasenfehlerangaben in einem zweiten Beispiel zeigt; und
9 ein Graph ist, der die Fourier-Transformation eines Fehlervektors von Phasenfehlerangaben in einem dritten Beispiel zeigt.

In sämtlichen Figuren werden gemeinsame Bezugszeichen verwendet, wenn dies geeignet ist, um ähnliche Merkmale anzuzeigen.
Ausführliche Beschreibung
Es werden nun lediglich beispielhaft Ausführungsformen beschrieben.
1 zeigt ein Datensignal 100, das aus einem Sender gesendet wurde. Das Datensignal 100 ist ein digitales Signal, das Datensymbole umfasst. Die Datensignale können ein auf einem Drahtloskanal (z.B. durch die Luft) gesendetes Drahtlossignal (z.B. ein Funksignal) sein oder können ein auf einem Kabel (z.B. einem Koaxialkabel) gesendetes drahtgebundenes Signal sein. Ein Empfänger 102 ist ausgelegt, das Datensignal 100 zu empfangen und die Datensymbole zu ermitteln, die in dem Datensignal 100 vorhanden sind. Der Empfänger 102 umfasst einen Prozessor 104, einen Speicher 106 und eine Netzschnittstelle 108. Die Netzschnittstelle kann z.B. im Fall, dass die Datensignale Drahtlossignale sind, eine Antenne umfassen. Die Netzschnittstelle 108 ist ausgelegt, das Datensignal 100 am Empfänger 102 zu empfangen. Der Prozessor 104 kann jede beliebige geeignete Form von Prozessor sein, z.B. eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) oder ein digitaler Signalprozessor (DSP), der ausgelegt ist, Befehle zur Verarbeitung des empfangenen Datensignals auszuführen. Der Speicher 106 ist ausgelegt, Daten (z.B. die empfangenen Datensymbole aus dem Datensignal 100) und/oder Computerprogrammprodukte, die auf dem Prozessor 104 ausgeführt werden können, zu speichern. Der Empfänger 102 wird mit hoher Wahrscheinlichkeit weitere Komponenten umfassen, die der Einfachheit halber in 1 nicht dargestellt sind, z.B. Benutzerschnittstellenkomponenten.
2 zeigt ein funktionelles Blockschaltbild von Modulen, die vom Prozessor 104 implementiert sind. Der Prozessor 104 implementiert ein Empfangsmodul 202, ein Fehlermodul 204, ein Fourier-Transformationsmodul 206 und ein Mittelungsmodul 208. Das Empfangsmodul 202 umfasst ein Zeitgebungsmodul 210, das selbst einen Phasenregelkreis (PLL) umfasst. Das Fourier-Transformationsmodul 206 umfasst eine Schnelle-Fourier-Transformations- (FFT-) Einheit 212 und eine Analyseeinheit 214. Das Empfangsmodul 202 ist angeordnet, das Datensignal an einem ersten Eingang z.B. aus der Netzschnittstelle 108 zu empfangen. Ein Ausgang des Empfangsmoduls 202 ist mit einem ersten Eingang des Fehlermoduls 204 gekoppelt. Der Ausgang des Empfangsmoduls 202 ist ebenfalls ausgelegt, Datensymbole als Ausgabe bereitzustellen. Ein Ausgang des Fehlermoduls 204 ist mit einem Eingang der FFT-Einheit 212 des Fourier-Transformationsmoduls 206 und mit einem Eingang des Mittelungsmoduls 208 gekoppelt. Ein Ausgang der FFT-Einheit 212 ist mit einem Eingang der Analyseeinheit 214 gekoppelt. Ein Ausgang der Analyseeinheit 214 ist mit einem zweiten Eingang des Empfangsmoduls 202 und mit einem zweiten Eingang des Fehlermoduls 204 gekoppelt. Ein Ausgang des Mittelungsmoduls 208 ist mit einem dritten Eingang des Empfangsmoduls 202 gekoppelt. Im Allgemeinen können die Module des in 2 dargestellten Prozessors 104 in Software, Hardware oder jeder beliebigen Kombination daraus implementiert sein. Des Weiteren ist die in 2 dargestellte Anordnung der Module lediglich beispielhaft angeführt.
Der Betrieb des Empfängers 102 ist in Bezug auf 3 beschrieben, die ein Flussbild für ein Verfahren zur Einstellung einer Empfängerzeitgebung, sodass diese genauer mit einer Signalzeitgebung des Datensignals 100 übereinstimmt, zeigt.
Im Schritt S302 empfängt der Empfänger 102 das Datensignal 100. Das Datensignal 100 wird an der Netzschnittstelle 108 empfangen und an das Empfangsmodul 202 weitergeleitet. Das Empfangsmodul 202 arbeitet gemäß einer Empfängerzeitgebung, um Datensymbole aus dem Datensignal zu ermitteln. Gemäß der obigen Beschreibung mischt das Empfangsmodul 202, um ein digitales Datensignal richtig zu empfangen, das Datensignal aus der Trägerfequenz auf die Basisbandfrequenz des Empfängers 102 herunter. Das Zeitgebungsmodul 210 enthält einen PLL, der zum Steuern der Empfängerträgerfrequenz und -phase verwendet wird, sodass diese mit der Trägerfrequenz und -phase des Datensignals übereinstimmt. Das Zeitgebungsmodul 210 verwendet auch einen PLL dazu, die Empfängersymbolzeitgebung so zu steuern, dass das Datensignal zu entsprechenden Zeitpunkten in Übereinstimmung mit der Signalsymbolzeitgebung abgetastet wird.
Ähnliche Verfahren können zum Einsatz kommen, um die Empfängerträgerzeitgebung und die Empfängersymbolzeitgebung (die beide allgemein als „Empfängerzeitgebung“ bezeichnet werden können) gemäß den hier beschriebenen Beispielen so einzustellen, dass sie genauer mit der jeweiligen Signalträgerzeitgebung bzw. Signalsymbolzeitgebung (die beide allgemein als „Signalzeitgebung“ bezeichnet werden können) übereinstimmen. In Bezug auf das Einstellen der Empfängersymbolzeitgebung lassen sich die Beispiele deutlicher erläutern als in Bezug auf das Einstellen der Empfängerträgerzeitgebung. Daher wird nachstehend zuerst beschrieben, wie die Empfängersymbolzeitgebung eingestellt wird. Entsprechende Grundsätze können auf ein Einstellen der Empfängerträgerzeitgebung angewandt werden. Die Reihenfolge, ob die Symbolzeitgebung vor der Trägerzeitgebung einzustellen ist oder ob die Trägerzeitgebung vor der Symbolzeitgebung einzustellen ist, hängt von der Implementierung ab. Beispielsweise kann die Symbolzeitgebung zuerst unter Verwendung des Gardner-Algorithmus synchronisiert werden, der gegenüber Trägerzeitgebungsverschiebung unempfindlich ist. Dann kann die Trägersynchronisierung vereinfacht werden, da die Symbolzeitgebung bereits synchronisiert ist.
Im Schritt S302 tastet das Empfangsmodul 202 das Datensignal zu Zeitpunkten in Übereinstimmung mit einer Empfängersymbolzeitgebung ab, um so die Datensymbole im Datensignal zu ermitteln. Die abgetasteten Datensymbole werden dem Fehlermodul 204 bereitgestellt. Im Schritt S304 ermittelt das Fehlermodul 204 einen ersten Satz Phasenfehlerangaben für entsprechende Abtastwerte über eine erste Abtastperiode gemäß einem bestimmten Phasenfehleralgorithmus. Jede der Phasenfehlerangaben ist ein Messwert des Phasenfehlers zwischen der Empfängersymbolzeitgebung und der Signalsymbolzeitgebung für einen bestimmten Abtastwert. Die Phasenfehlerangaben können als Phasenfehlermetriken bezeichnet werden. Die erste Abtastperiode kann z.B. 256 oder 512 Abtastwerte lang dauern.
Der vom Fehlermodul 204 verwendete Phasenfehleralgorithmus kann z.B. jeder beliebige Algorithmus sein, der eine periodische (z.B. sinusförmige) Antwort aufweist, wenn eine Differenz zwischen der Frequenz der Empfängersymbolzeitgebung und der Frequenz der Signalsymbolzeitgebung vorliegt. Beispiele für geeignete Phasenfehleralgorithmen sind der Mueller-und-Mueller-Algorithmus und der Gardner-Algorithmus. Die Beispiele, die unten stehend im Detail beschrieben sind, sind in Bezug auf den Gardner-Algorithmus beschrieben, es können aber sonstige Algorithmen verwendet werden.
4 ist ein Graph, der die idealen Abtastpunkte auf einem Datensignal zeigt. Die in 4 gezeigte Linie 402 zeigt, wie der Pegel der Datensymbole in dem Datensignal als Funktion der Zeit variiert. Die idealen Abtastzeitpunkte zum Abtasten der Datensymbole im Datensignal sind die Spitzen und Tiefpunkte des Datensignals, d.h., wie in 4 dargestellt, zu den Zeitpunkten S₁ , S₂ , S₃ und S₄ . Gemäß dem Gardner-Algorithmus werden für jede Mehrzahl von Symbolen zwei Abtastwerte herangezogen. Idealerweise tastet bei Verwendung des Gardner-Algorithmus das Empfangsmodul 202 das Datensignal 100 zu den von den in 4 dargestellten und mit 404, 406, 408, 410, 412, 414, 416, 418 und 420 gekennzeichneten Punkten angezeigten Zeitpunkten ab.
Liegt ein Fehler zwischen der Empfängersymbolzeitgebung und der Signalsymbolzeitgebung vor, tastet das Empfangsmodul 202 das Datensignal nicht an allen in 4 dargestellten idealen Abtastpunkten (404 bis 420) ab (ein solches Szenario ist in 5 dargestellt, weiter unten ausführlicher beschrieben). Das Fehlermodul 204 ermittelt eine Phasenfehlerangabe für jedes der Symbole (wobei angemerkt wird, dass in diesem Beispiel zwei Abtastwerte pro Symbol vorliegen), die den Fehler in der Zeitgebung angibt, mit der dieses Symbol abgetastet wurde.
Beispielsweise kann das Eingangssignal zum Zeitpunkt n abgetastet werden, um einen Abtastwert y_n zu ermitteln, und kann zum Zeitpunkt (n+1) abgetastet werden, um einen Abtastwert y_n+1 zu ermitteln, usw., wobei die Zeitpunkte n und (n+1) durch eine Symbolperiode getrennt sind, die von der Empfängersymbolzeitgebung beurteilt wird. In einem einfachen Beispiel, in dem der Gardner-Algorithmus unter der Annahme nur reeller Daten y_n,re (oder unter Verwendung nur einer komplexen Komponente komplexer Eingangsdaten) implementiert ist, kann eine Phasenfehlerangabe e_n,re gemäß der Gleichung ermittelt werden: $e_{n, r e} = (y_{n, r e} - y_{(n - 1), r e}) y_{(n - \frac{1}{2}), r e}$
Zur in 4 dargestellten idealen Abtastzeitgebung sind die Phasenfehlerangaben für jedes Symbol null. Beispielsweise kann am Punkt 410 die Phasenfehlerangabe als: e_re(410)=(y_re(410)-y_re(406))y_re(408)= (-1-1)0=0 ermittelt werden, wobei e_re(410) die Phasenfehlerangabe ist, die am Abtastpunkt 410 ermittelt wird, und wobei y_re(406), y_re(40B) und y_re(410) die Pegel des Datensignals an den jeweiligen Abtastpunkten 406, 408 und 410 sind. Desgleichen kann an Punkt 414 die Phasenfehlerangabe wie folgt bestimmt werden: e_re(414)=(y_re(414)-y_re(410)y_re(412)=(1+1)0=0.
Als Erweiterung des einfachen Beispieles, in dem nur die reelle Komponente der Eingangsdaten verwendet wird, kann der Gardner-Algorithmus auf komplexe Daten angewandt werden, wobei reelle (y_n,re) und imaginäre (y_n, _im) Komponenten komplexer Abtastwerte y_n als zwei unabhängige Messwerte des Phasenfehlers verwendet werden. Die beiden Messwerte sollten den gleichen Ausgabewert ergeben, sodass durch deren Addition miteinander einige Verstärkungen in Gegenwart von Rauschen bereitgestellt werden können, d.h. das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht werden kann. D.h. eine Phasenfehlerangabe e_n,complex kann gemäß der Gleichung ermittelt werden: $e_{n, c o m p l e x} = (y_{n, r e} - y_{(n - 1), r e}) y_{(n - \frac{1}{2}), r e} + (y_{n, i m} - y_{(n - 1), i m}) y_{(n - \frac{1}{2}), i m}$
Als weitere Erweiterung des Gardner-Algorithmus (die auf dem Gardner-Algorithmus aufbauen kann, der reelle Werte (e_n,re) verwendet, oder auf dem Gardner-Algorithmus, der komplexe Werte (e_n,complex) verwendet), kann eine kohärente Summe von phasengleichen und phasenverschobenen Messwerten des Phasenfehlers (1/2 Symbolperiode auseinander) implementiert werden. Bei identischen Phasenverschiebungen sollten die beiden Messwerte den gleichen Wert, aber mit unterschiedlichen Vorzeichen ergeben, sodass durch Subtraktion des einen vom anderen einige Verstärkungen in Gegenwart von Rauschen bereitgestellt werden können, d.h. das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht werden kann. D.h. eine Phasenfehlerangabe e_n,IA may kann gemäß der Gleichung ermittelt werden: $e_{n, I A} = e_{n} - e_{n + \frac{1}{2}}$
wobei gemäß Gleichung 1 e_n gleich e_n,re sein kann und $e_{n + \frac{1}{2}}$
gleich $e_{n + \frac{1}{2}, r e}$
sein kann oder wobei gemäß Gleichung 2 e_n gleich e_n,complex sein kann und $e_{n + \frac{1}{2}}$
gleich $e_{n + \frac{1}{2}, c o m p l e x}$
sein kann.
Es kann auch zweckdienlich sein (insbesondere für die Grobeinstellungsstufe, die von einer Fourier-Transformation Gebrauch macht, wie weiter unten ausführlicher beschrieben ist), eine modifizierte Version des Gardner-Algorithmus zu verwenden, die eine Ermittlung der Polarität einer Frequenzverschiebung ermöglicht, d.h. ob eine Frequenzverschiebung positiv oder negativ ist. Dies lässt sich durch Erzeugen einer Quadraturkomponente aus komplexen Werten, die unter Verwendung des komplexen Gardner-Algorithmus ermittelt wurden, bewerkstelligen, genommen in einer um ¼ gegenüber der phasengleichen Komponente verschobenen Symbolperiode. D.h. eine Phasenfehlerangabe e_n,IQ kann gemäß der Gleichung ermittelt werden: $e_{n, I Q} = e_{n} + j e_{n + \frac{1}{4}}$
wobei gemäß Gleichung 2 e_n gleich e_n,complex sein kann und $e_{n + \frac{1}{2}}$
gleich $e_{n + \frac{1}{2}, c o m p l e x}$
sein kann.
Es gilt anzumerken, dass e_n,complex und e_n,IA durch wiederholte Anwendung der einfachen Gleichung 1 für e_n,re auf verschiedene Abtastwerte oder Komponenten des Eingangsdatensignals ausgebildet werden kann. Jedes e_n,re, e_n,complex und e_n,IA kann die Grundlage für die (nur reelle) Eingabe für die Feinzeitgebung und für jede der Komponenten e_n und $e_{n + \frac{1}{4}}$
des bei der Grobzeitgebung verwendeten e_n,IQ (ermittelt gemäß Gleichung 4) bilden. Die Entscheidung, ob als Grundlage e_n,re, e_n,complex oder e_n,IA zu verwenden ist, ist eine Abwägung zwischen Leistungsverhalten und Komplexität, wobei e_n,re, am wenigsten komplex zu implementieren ist, aber das schlechteste Leistungsverhalten (z.B. das geringste Signal-Rausch-Verhältnis) bereitstellt, wobei e_n,IA und e_n,complex komplexer zu implementieren sind, aber ein besseres Leistungsverhalten (z.B. ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis) bereitstellen.
5 ist ein Graph, der nicht ideale Abtastpunkte auf einem Datensignal zeigt. Die in 5 dargestellte Linie 502 zeigt, wie der Pegel der Datensymbole im Datensignal als Funktion der Zeit variiert. 5 zeigt die Situation, in der ein Fehler in der Frequenz der Empfängersymbolzeitgebung vorliegt, sodass das Datensignal mit einer andere Rate als der in 4 dargestellten idealen Abtastrate abgetastet wird. Das in 5 dargestellte Datensignal ist das gleiche wie das in 4 dargestellte, aber die Empfängerzeitgebung ist in 5 anders als die in 4 dargestellte ideale Empfängerzeitgebung. Insbesondere zeigt 5 beispielsweise einen Frequenzfehler von 9 %, d.h. eine Abtastratenverschiebung von 9 % zwischen der Empfängersymbolzeitgebung und der Signalsymbolzeitgebung. Die idealen Abtastzeitpunkte zum Abtasten der Datensymbole im Datensignal sind die Spitzen und Tiefpunkte des Datensignals, d.h. zu den Zeitpunkten S₁ , S₂ , S₃ und S₄ (genau wie oben in Bezug auf 4 beschrieben). Bei Verwendung des Gardner-Algorithmus tastet das Empfängermodul 202 das Datensignal 100 zu den von den in 5 dargestellten und als 504, 506, 508, 510, 512, 514, 516 und 518 gekennzeichneten Zeitpunkten ab. In dem in 5 dargestellten Beispiel ist zu erkennen, dass das Datensignal aufgrund der Frequenzverschiebung zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung nicht zu den idealen Abtastpunkten (d.h. an den Signalspitzen und -minima) abgetastet wird.
Da die Empfängerzeitgebung in dem in 5 dargestellten Beispiel nicht mit der Signalzeitgebung synchronisiert ist, sind zumindest manche der von den vom Fehlermodul 204 ermittelten Phasenfehlerangaben angegebenen Phasenfehler nicht null. Beispielsweise kann das Fehlermodul 204 den Gardner-Algorithmus implementieren, der die Phasenfehlerangaben e_n,re gemäß der Gleichung (1) ermittelt, sodass für die in 5 dargestellten Punkte die ermittelten Phasenfehlerangaben nicht null sind. Beispielsweise kann an Punkt 510 die Phasenfehlerangabe als: $e_{r e} (510) = (y_{r e} (510) - y_{r e} (506)) y_{r e} (508) = (- 0,90 - 0,99) (- 0,29) = 0,55$
ermittelt werden, wobei y_re(506), y_re(508) und y_re(510) die Amplituden des Datensignals an den jeweiligen Abtastpunkten 506, 508 bzw. 510 sind. Desgleichen kann an Punkt 514 die Phasenfehlerangabe als: $e_{r e} (514) = (y_{r e} (514) - y_{r e} (510)) y_{r e} (512) = (- 0,74 - 0,90) (- 0,56) = 0,92$
ermittelt werden. Ähnliche Phasenfehlerangaben können unter Verwendung der komplexeren Implementierungen des Gardner-Algorithmus gemäß den Gleichungen 2 bis 4, wie oben beschrieben, ermittelt werden.
Die Verschiebung zwischen der Frequenz der Empfängersymbolzeitgebung und der Frequenz der Signalsymbolzeitgebung führt dazu, dass die Phasenfehlerangabenwerte periodisch variieren. Beim Beispiel des Gardner-Algorithmus variieren die Phasenfehlerangaben sinusförmig über die Abtastperiode. Die Frequenz, mit der die Phasenfehlerangaben oszillieren, hängt von der Frequenzverschiebung zwischen der Empfängersymbolzeitgebung und der Signalsymbolzeitgebung (hier als die „Abtastratenverschiebung“ bezeichnet) ab.
6 ist ein Graph, der für drei unterschiedliche Abtastratenverschiebungen über eine Abtastperiode von 512 Abtastwerten (die 256 Symbolen entsprächen, würden zwei Abtastwerte für jedes Symbol angenommen, d.h. würde die Abtastrate mit der Symbolrate des Datensignals ideal übereinstimmen) zeigt, wie die gemäß dem Gardner-Algorithmus ermittelten Phasenfehlerangaben mit der Zeit variieren (Symbol).
Die in 6 als 602 gekennzeichnete gepunktete Linie zeigt die aus dem Fehlermodul 204 im Falle einer relativ hohen Abtastratenverschiebung von z.B. etwa 1 % ausgegebenen Phasenfehlerangaben. Die Linie 602 schließt mehrere Oszillierungsperioden innerhalb des Abtastfensters von 512 Abtastwerten ab. Die in 6 als 604 gekennzeichnete gestrichelte Linie zeigt die aus dem Fehlermodul 204 im Falle einer mittleren Abtastratenverschiebung von z.B. etwa 0,1 % ausgegebenen Phasenfehlerangaben. Die Linie 604 schließt mehr als ein Viertel, aber weniger als die Hälfte einer vollen Periode der Oszillation innerhalb des Abtastfensters von 512 Abtastwerten ab. Die in 6 als 606 gekennzeichnete durchgezogene Linie zeigt die aus dem Fehlermodul 204 im Falle einer relativ geringen Abtastratenverschiebung von z.B. etwa 0,01 % ausgegebenen Phasenfehlerangaben. Die Linie 606 schließt viel weniger als ein Viertel einer Periode der Oszillation innerhalb des Abtastfensters von 512 Abtastwerten ab und kann durch eine gerade Linie angenähert werden.
Es versteht sich, dass je geringer die Abtastratenverschiebung ist, desto weniger die Phasenfehler (und folglich die entsprechenden Phasenfehlerangaben) innerhalb des Abtastfensters variieren. Gemäß den im Hintergrundabschnitt oben beschriebenen Systemen können Phasenfehlerfeineinstellungen durch Ermitteln des Durchschnitts der Phasenfehlerangaben über eine Abtastperiode vorgenommen werden. Das funktioniert gut, wenn die Abtastratenverschiebung gering ist. Für die Linie 606 z.B., die einer geringen Abtastratenverschiebung von etwa 0,01 % entspricht, kann der Durchschnitt der Phasenfehlerangaben über die in 6 dargestellten 512 Abtastwerte dazu verwendet werden, eine zuverlässige Aussage über die Abtastwertphasenverschiebung zu treffen. Des Weiteren kommt es häufig zu einer Verzögerung zwischen einem Berechnen des Durchschnitts der Phasenfehlerangaben und einem Anwenden einer Zeitgebungskorrektur aufgrund des berechneten Durchschnitts. Da die Phasenfehler langsam variieren, ändert sich der Phasenfehler während dieser Verzögerung nicht um eine große Menge. Bei einer hohen Abtastratenverschiebung jedoch, z.B. für Linie 602, die einer hohen Abtastratenverschiebung von etwa 1 % entspricht, ist der Durchschnitt der Phasenfehlerangaben über die in 6 dargestellten 512 Abtastwerte etwa null, was nicht dazu verwendet werden kann, eine zuverlässige Aussage über die Abtastwertphasenverschiebung zu treffen. Des Weiteren variieren die Phasenfehler signifikant zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die mittlere Phasenfehlerangabe berechnet wird, und dem Zeitpunkt, zu dem die Empfängerzeitgebung aufgrund des berechneten mittleren Phasenfehlers korrigiert wird, was bedeutet, dass der berechnete mittlere Phasenfehler nicht mehr aussagekräftig bezüglich der aktuellen Abtastwertphasenverschiebung ist, wenn die entsprechende Phasenkorrektur angewandt wird. Für die von der Linie 604 dargestellte mittlere Abtastratenverschiebung kann der Durchschnitt der Phasenfehlerangaben über die in 6 gezeigten 512 Abtastwerte dazu verwendet werden, eine gewisse Aussage über die Abtastphasenverschiebung zu treffen (die aber nicht so zuverlässig ist wie jene für die Linie 606); und aufgrund der Verzögerung bei der Berechnung der mittleren Phasenfehlerangabe und der Einstellung der Abtastphasenzeitgebung ist diese mittlere Abtastratenverschiebung typischerweise zu groß, um in einer Phase der Phasenfeineinstellung erfolgreich mit der Abtastzeitgebung zu verriegeln. Es gilt anzumerken, dass die höchste Abtastratenverschiebung, die das System ertragen kann, von der Dynamik des mit dem Phasenfehlerdetektor verbundenen Korrektursystems abhängt. Damit die Phasenfeineinstellungsstufe erfolgreich funktioniert, sollte allerwenigstens der Durchschnitt der Phasenfehlerangaben über die Mittelungsperiode repräsentativ für die Phasenfehlerangabe am Ende der Mittelungsperiode sein, wenn die Korrektur angewandt werden kann.
Deshalb ist bei großen Abtastratenverschiebungen (z.B. Abtastratenverschiebungen von mehr als etwa 0,01 %) eine Grobeinstellung der Frequenz der Empfängerzeitgebung, bevor die Phasenfeineinstellung durchgeführt wird, zweckdienlich. In den hier beschriebenen Beispielen kann die Grobeinstellung unter Verwendung der vom Fehlermodul 204 unter Verwendung desselben Phasenfehleralgorithmus ermittelten Phasenfehlerangaben durchgeführt werden, der auch zur Durchführung der Phasenfeineinstellung verwendet wird. Durch Verwendung desselben Phasenfehleralgorithmus sowohl für die Phasengrob- als auch für die Phasenfeineinstellung wird das Problem der Übergabe zwischen den beiden Algorithmen vermieden und können die Größe und die Komplexität des Systems reduziert werden. Es gilt anzumerken, dass die Zeitgebungsgrobeinstellung die Empfängerabtastrate einstellt, während die Zeitgebungsfeineinstellung die Empfängerabtastphase einstellt. D.h. die Zeitgebungsgrobeinstellung trifft die Empfängerabtastfrequenz in etwa richtig, sodass zwar die Empfängerzeitgebung nach der Grobphase nicht zu den idealen Abtastzeitpunkten erfolgt, der Fehler in den Abtastzeitpunkten aber von Abtastwert zu Abtastwert nicht signifikant variiert. Die Zeitgebungsfeineinstellung bewegt dann diesen Satz richtig beabstandeter Abtastzeiten so, dass sie sich an den richtigen Abtastzeitpunkten befindet.
Der erste Satz von vom Fehlermodul 204 ermittelten Phasenfehlerangaben bildet einen Fehlervektor der unterschiedlichen Phasenfehler für die Abtastpunkte aus. Der Fehlervektor wird an das Fourier-Transformationsmodul 206 weitergeleitet. Im Schritt S306 wendet das Fourier-Transformationsmodul 206 eine Fourier-Transformation auf den Fehlervektor an. Insbesondere führt die FFT-Einheit 212 eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) an dem Fehlervektor durch. Verfahren zur Durchführung einer FFT sind fachbekannt und an sich hier nicht im Detail beschrieben. Die Ausgabe der FFT-Einheit 212 ist eine Vektordarstellung des Fehlervektors in der Frequenzdomäne.
Der Frequenzvektor, der aus der FFT-Einheit 212 ausgegeben wird, weist die gleiche Anzahl (z.B. 512) an Komponenten (als „Frequenz-Bins“ bezeichnet) auf wie der Fehlervektor, der in die FFT-Einheit 212 eingegeben wird. In dem in 7 dargestellten Beispiel stellt der Frequenz-Bin 256 eine nicht oszillierende Komponente des Phasenfehlervektors dar. Die Frequenz-Bins (257 bis 511) stellen jeweils positive Frequenzkomponenten des Phasenfehlervektors dar, und die Frequenz-Bins 0 bis 255 stellen jeweils negative Frequenzkomponenten des Phasenfehlervektors dar. 7 ist ein vereinfachtes Beispiel eines Graphen, der die Fourier-Transformation eines Fehlervektors zeigt, der eine Abtastratenverschiebung von etwa 2 %, d.h. eine hohe Abtastratenverschiebung, aufweist, für die eine Grobeinstellung der Frequenz der Empfängerzeitgebung durchzuführen ist, bevor die Zeitgebungsfeineinstellung durchgeführt wird. 7 zeigt, dass eine strenge Frequenzkomponente 702 im Frequenz-Bin 226 der 512 (von 0 bis 511 durchnummerierten) Frequenz-Bins vorliegt, die angibt, dass die Empfängersymbolrate etwa 2 % geringer ist als die Signalsymbolrate (d.h. rrsr= (1 + fracOffset) ≈ 0,98), wobei rrsr das Verhältnis zwischen der Empfängersymbolrate und der Signalsymbolrate ist und $fracOffset = (\frac{256 - 266}{512})$
die Verschiebung der Empfängersymbolrate (DC aus eigener Sicht) im Verhältnis zur Signalspitze als Bruchteil der Gesamtanzahl von FFT-Bins ist. Der Empfänger tastet daher das Signal zu wenig ab, und die Abtastrate sollte daher um einen Korrekturfaktor $srcf = \frac{1}{rssr} = 1,02$
erhöht werden, damit die Empfängersymbolrate mit der Signalsymbolrate übereinstimmt. Falls der Empfänger 102 das Signal unterabtastet, ist die Signalspitze gegenüber dem DC-Bin positiv verschoben, während die Signalspitze gegenüber dem DC-Bin negativ verschoben ist, falls der Empfänger 102 das Signal überabtastet.
In dem in 7 dargestellten einfachen Beispiel werden die Phasenfehlerangaben gemäß Gleichung 1 ermittelt, sodass sie nur die reelle Komponente der Phasenfehlerangaben darstellen. Daher liegt auch eine starke Frequenzkomponente 704 in Frequenz-Bin 246 vor, die eine entsprechende positive Bruchteilverschiebung von 2 % $(d .h .fracOffset = \frac{256 - 246}{512} \approx 2 %)$
angibt. Um diese Unklarheit aufzuheben, können komplexe Phasenfehlerangaben ermittelt werden, z.B. gemäß Gleichung 4. Indem sowohl die reellen als auch die imaginären Komponenten der Phasenfehlerangaben berücksichtigt werden, kann die Unklarheit zwischen positiven und negativen Frequenzkomponenten aufgelöst werden. D.h. es kann ermittelt werden, dass die Oszillation der reellen Komponente der Phasenfehlerangaben entweder für eine positive oder eine negative Rotation in der komplexen Ebene steht.
8 zeigt ein Beispiel, in dem eine Abtastratenverschiebung um -7 % vorliegt (die Empfängersymbolrate beträgt 93 % der Signalsymbolrate), wenn der komplexe Phasenfehleralgorithmus (e_n,IQ) der Gleichung 4 implementiert wird. In 8 stellt der zentrale Frequenz-Bin (Bin 2049 von 4096 Bins) eine nicht oszillierende Komponente dar, während die Frequenz-Bins 2050 bis 4096 positive Frequenzkomponenten darstellen (d.h. wenn der Empfänger unterabtastet) und die Frequenz-Bins 0 bis 2048 negative Frequenzkomponenten darstellen (d.h. wenn der Empfänger zu viel abtastet). In 8 liegt eine starke Spitze 802 in Frequenz-Bin 2336 vor, die ein Unterabtasten eines Eingangssignals um 7 % darstellt ( $fracOffset = (\frac{2049 - 2336}{4096}) = - 0,07,$
was einen Abtastratenkorrekturfaktor $srcf = \frac{1}{(1 + fracOffset)} = \frac{1}{0,93} \approx 1,08$
) ergibt. Das Vorliegen der sekundären Spitze 804 ist weiter unten ausführlicher beschrieben. Es gilt auch anzumerken, dass die Frequenzdomänenantwort des gemäß Gleichung 4 (d.h. e_n,IQ) ermittelten Gardner-Algorithmus starke Nebenkeulen 806 zeigt, die infolge der Verwendung von Gleichung 4 zum Ermitteln der Phasenfehlerangaben auftreten.
9 zeigt ein weiteres Beispiel, in dem eine Abtastratenverschiebung von +15 % vorliegt (Empfängersymbolrate beträgt 115 % der Signalsymbolrate), wenn der komplexe Phasenfehleralgorithmus (e_n,IQ) der Gleichung 4 implementiert wird. Wie in 8 stellt in 9 der zentrale Frequenz-Bin (Bin 2049 von 4096 Bins) eine nicht oszillierende Komponente dar, während die Frequenz-Bins 2050 bis 4096 positive Frequenzkomponenten darstellen und die Frequenz-Bins 0 bis 2048 negative Frequenzkomponenten darstellen. In 9 liegt eine starke Spitze 902 in Frequenz-Bin 1435 vor, die ein Überabtasten eines Eingangssignals um 15 % darstellt ( $fracOffset = (\frac{2049 - 1435}{4096}) = 0,15,$
was einen Abtastratenkorrekturfaktor $srcf = 1 / (1 + fracOffset) \approx 0,87$
) ergibt. Das Vorliegen der sekundären Spitze 904 ist weiter unten ausführlicher beschrieben. Auch Nebenkeulen 906 sind in 9 zu erkennen.
Der Frequenzvektor (z.B. wie vom Graphen in 7 dargestellt) wird aus der FFT-Einheit 212 ausgegeben und von der Analyseeinheit 214 empfangen. Im Schritt S308 analysiert die Analyseeinheit 214 die Fourier-Transformation des Fehlervektors, um eine Frequenzkomponente des Fehlervektors zu ermitteln, die eine Frequenzdifferenz zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung identifiziert. Die Position einer starken Spitze im FFT-Fenster weist die Symbolratenverschiebung aus. Daher analysiert in Bezug auf das in 7 dargestellte einfache Beispiel im Schritt S308 die Analyseeinheit 214, dass eine starke Frequenzkomponente in Bin 266 der 512 Frequenz-Bins vorliegt, was eine Symbolratenverschiebung von -2 % angibt (Empfängersymbolrate beträgt 98 % der Signalsymbolrate). In Bezug auf das in 8 dargestellte Beispiel zeigt die Spitze 802 eine Symbolratenverschiebung von -7 % an, da $\frac{2049 - 2336}{4096} = 7 %$
ist. In Bezug auf das in 9 dargestellte Beispiel zeigt die Spitze 902 eine Symbolratenverschiebung von 15 % an, da $\frac{2049 - 1435}{4096} = 15 %$
ist. Die Analyse im Schritt S308 kann ein Identifizieren der Frequenz der größten Spitze in der Fourier-Transformation des Fehlervektors umfassen.
Die in den 4 bis 7 dargestellten Graphen zeigen eine ideale (aber nicht realistische) Situation, in der kein Rauschen und keine Kanalverzerrung vorliegen, die das am Empfänger 102 empfangene Datensignal 100 beeinträchtigen. Die in den 4 und 5 dargestellten Datensignale weisen perfekte sinusförmige Wellenformen auf. Das Datensignal wird normalisiert, sodass der maximale Signalwert +1 und der minimale Signalwert -1 ist, wie in den 4 und 5 dargestellt. Dies setzt sich bis zu den Werten der Phasenfehlerangaben fort, sodass, wenn kein Rauschen und keine Kanalverzerrung vorliegen und wenn der Gardner-Algorithmus verwendet wird, die Phasenfehlerangaben so sind wie in den in 6 angeführten Beispielen dargestellt, womit die Phasenfehlerangaben perfekte sinusförmige Wellenformen mit normalisierter Amplitude aufweisen, sodass der maximale Pegel der Phasenfehlerangaben +1 und der minimale Pegel der Phasenfehlerangaben -1 ist. Die Fourier-Transformationen solcher Phasenfehlerangaben weisen starke, schmale Spitzen mit einem Spitzenwert von +1 und einem Nullwert für die anderen Frequenzkomponenten auf, wie in 7 dargestellt.
In Gegenwart von Rauschen oder Kanalverzerrung jedoch (z.B. verursacht von Mehrweginterferenz) weisen die Datensignale keine perfekten sinusförmigen Wellenformen auf. Daraus folgt, dass die Phasenfehlerangaben auch keine perfekten sinusförmigen Wellenformen in Gegenwart von Rauschen oder Kanalverzerrung aufweisen. Daher sind die Spitzen bei der Fourier-Transformation weniger stark, da die Kanalverzerrung weitere Nicht-Null-Frequenzkomponenten in die Phasenfehlerangaben einführt. Die 8 und 9 zeigen Beispiele für die Fourier-Transformation der Phasenfehlerangaben in Gegenwart von Rauschen und Kanalverzerrung, die von einer Reflexion im Sendekanal des Datensignals verursacht wurden. Wie in 8 dargestellt, liegt eine starke Spitze 802 in Frequenz-Bin 2336 der 4096 Frequenz-Bins vor. In Frequenz-Bin 1762 liegt außerdem eine schwächere entsprechende Spitze 804 vor. Das Analysemodul verwendet die größte Spitze dazu, zu identifizieren, dass eine negative Symbolratenverschiebung von 7 % in dem in 8 dargestellten Beispiel vorliegt.
Es gilt anzumerken, dass die sekundären Spitzen 804 und 904 auftreten, weil in diesen Beispielen lineare Interpolation dazu verwendet wurde, die e_n+1/4-Quadraturkomponenten zu erzeugen. Interpolation ist sehr leicht zu implementieren und stellt zwar nur eine grobe Schätzung der Quadraturkomponente dar und entfernt die 2. Spitze nicht zur Gänze, stellt aber allgemein ausreichend gute Ergebnisse bereit, um zwischen zu wenig Abtasten und zu viel Abtasten zu unterscheiden (d.h. zu ermitteln, welche der beiden entsprechenden Spitzen in der FFT die wahre Abtastratenverschiebung darstellt). In weiteren Beispielen könnte die schwächere Spitze (804 oder 904) stark reduziert werden, falls ein genaueres Interpolationsverfahren verwendet würde, und würde vollständig entfernt, würde das Eingangssignal mit 4 Abtastwerten pro Symbol abgetastet, dies erfordert jedoch eine höhere Abtastrate, was unerwünscht sein kann.
Die Nebenkeulen der FFT-Ausgabe reduzieren den Bereich, über den eine Spitzensuche zuverlässig durchgeführt werden kann. Mit zunehmender Größe der Abtastratenverschiebung bewegt sich die Signalspitze in die Nebenkeulen. Jedes Rauschen in dem Signal wird zu den Nebenkeulen addiert, während jede durch Mehrweg eingeführte Frequenzselektivität in dem Kanal die Amplitude der Signalspitze reduziert. Die Kombination aus diesen setzt dem Suchbereich, über den zu erwarten ist, die Signalspitze zuverlässig zu finden, eine Obergrenze. Während also die FFT-Ausgabe Abtastratenverschiebungen im Bereich von +/- 50 % zeigt, wird der Bereich, über den die Abtastratenverschiebung ermittelt werden kann, durch die Nebenkeulen der Gardner-Antwort begrenzt.
Die Nebenkeulen können durch Normalisieren der Eingangsabtastwerte vor dem Anwenden der oben angegebenen Gardner-Algorithmen entfernt werden. So wird y_n zu $\frac{y_{n}}{abs (y_{n})},$
sodass y_n,re und y_n,im zu $\frac{y_{n, r e}}{y_{a b s}} bzw . \frac{y_{n, i m}}{y_{a b s}}$
werden, wobei gilt: $y_{a b s = \sqrt{{(y_{n, r e})}^{2} + {(y_{n, i m})}^{2}}}$
Dies flacht die Gardner-Antwort in der Frequenzdomäne ab, was ermöglicht, dass der vollständige FFT-Ausgabebereich von Abtastratenverschiebungen von +/- 50 % durchsucht werden kann.
Die Stärke der stärksten Spitze (z.B. der Spitze 802) in der Fourier-Transformation der Phasenfehler gibt die Kanalbedingungen (z.B. die Kanalverzerrung) an, die das am Empfänger empfangene Datensignal 100 durchläuft. Eine Angabe der Kanalbedingungen, die das Datensignal 100 durchläuft, ist zweckdienlich darin zu ermitteln, wie die Phasenfeineinstellung durchgeführt werden soll. Daher kann neben einem Identifizieren der Frequenz der größten Spitze in der Fourier-Transformation des Fehlervektors die von der Analyseeinheit 214 im Schritt S308 durchgeführte Analyse auch ein Ermitteln der Stärke der stärksten Spitze in der Fourier-Transformation des Fehlervektors umfassen, um so eine Angabe der Kanalbedingungen zu ermitteln, die das Datensignal durchläuft.
Die Informationen über die Kanalbedingungen stellen Informationen über den erwarteten Ausgabepegel (und die anzulegenden korrigierenden Verstärkungen) während der Stufe der feinen Zeitgebung bereit. Bei einem sauberen Signal in einem flachen Kanal variiert jedoch die erwartete Größe der Signalspitze mit der Abtastratenverschiebung. Die Signalspitze in der FFT-Ausgabe ist auf die Symbolübergänge zurückzuführen, die über das Abtastfenster auftreten. Die stärkste Frequenzkomponente dieser Übergänge ist bei der Signalsymbolrate zu erwarten. Falls der Empfänger mit der Signalsymbolrate abtastet, liegen über ein Messfenster von N Abtastwerten N/2 Signalsymbolperioden vor. Falls der Empfänger schneller abtastet als das (überabtastet), dann liegen, während der Empfänger N Abtastwerte genommen hat, unter der Annahme von N/2 Signalsymbolperioden über dieses Fenster, in Wirklichkeit weniger als N/2 Signalsymbolperioden (und daher weniger Signalsymbolübergänge) in dieser Zeit vor. Desgleichen liegen, falls der Empfänger zu langsam abtastet (unterabtastet), mehr als N/2 Signalsymbolperioden über das Messfenster von N Abtastwerten vor. Die Folge davon ist, dass die Anzahl der über das Messfenster wahrgenommenen Signalübergänge von der Abtastratenverschiebung abhängt. Die Größe der FFT-Spitze ist proportional zur Anzahl der Signalübergänge über das Messfenster, sodass für eine Signalspitze bei einer Verschiebung von m Frequenz-Bins gegenüber dem DC-Bin einer FFT an N Punkten die erwartete Größe der Signalspitze, Emag(m), mit: $Emag (m) = mag (0) * (1 + m/N)$
angegeben wird, wobei mag(0) die Größe der Signalspitze bei einer Abtastratenverschiebung null für einen sauberen, flachen Kanal (d.h. in einem nicht frequenzselektiven Kanal ohne Rauschen) ist. Für eine gemessene Signalspitzengröße mag(m) bei Verschiebung m ist der in der Phase der feinen Zeitgebung anzulegende Kanalverstärkungsnormalisierungsfaktor (cgn) daher mit: $cgn = Emag (m) / mag (m) = (mag (0) / mag (m)) * (1 + m/N)$
angegeben.
Die Ergebnisse der Analysen der Fourier-Transformation des Fehlervektors werden zum Empfangsmodul 202 und zum Fehlermodul 204 zurückgeführt.
Im Schritt S310 stellt das Empfangsmodul 202 die Frequenz der Empfängersymbolzeitgebung aufgrund der identifizierten Frequenz der stärksten Spitze in der Fourier-Transformation des Fehlervektors ein, die die Frequenzdifferenz zwischen der Empfängersymbolzeitgebung und der Signalsymbolzeitgebung angibt. Dies wird durch Steuerung der Empfängerabtastrate innerhalb des Zeitgebungsmoduls 210 erreicht. Die vom Fourier-Transformationsmodul 206 angegebene Frequenzdifferenz zeigt die Frequenzdifferenz zwischen der Empfängersymbolzeitgebung und der Signalsymbolzeitgebung mit einer Genauigkeit an, die mit der Körnigkeit der Frequenz-Bins zusammenhängt.
Wie oben beschrieben, verwendet in manchen Beispielen die Phase der groben Zeitgebungseinstellung die Phasenfehlerangaben e_n,IQ (ermittelt gemäß Gleichung 4) dazu, einen Vektor mit der Länge N zu erstellen, nimmt eine FFT mit N Punkten und findet die Größe der Spitze des komplexen FFT-Ergebnisses. Die Verschiebung m des DC-Bins gegenüber der Spitze gibt einen Messwert der Abtastratenverschiebung an. Die Abtastrate wird dann so eingestellt, dass sie der aktuellen_Abtastrate / (1+(m/N)) entspricht, wobei m in Frequenz-Bins angegeben ist, um -0,5 < m/N <= 0,5 als Bruchteilverschiebung zu erhalten.
Mit der eingestellten Empfängersymbolzeitgebung wird das Datensignal 100 vom Empfangsmodul 202 mit einer Symbolzeitgebung empfangen, deren Frequenz sehr nah an der Frequenz der Signalsymbolzeitgebung liegt, obwohl die Phase der Empfängersymbolzeitgebung nach der groben Einstellung im Schritt S310 womöglich nicht mit der Phase der Symbolzeitgebung übereinstimmt. Daher liegt die Frequenz der Abtastpunkte nahe an der Frequenz der in 4 dargestellten idealen Abtastpunkte, aber es kann sein, dass alle verschoben werden müssen, um ihre Phase einzustellen.
Dann bildet die Zeitgebungsfeineinstellungsphase den Durchschnitt (z.B. den Mittelwert) über eine definierte Mittelungsperiode des Algorithmus, der als Basis für die Fehlermetrik jeweils ausgewählt wurde (z.B. e_n,re, e_n,complex oder e_n,IA). Dieser Durchschnittswert wird in den PLL des Zeitgebungsmoduls 210 eingegeben, der wiederum die Abtastrate des Empfangsmoduls 202 steuert. Im Schritt S312 ermittelt das Fehlermodul 204 einen zweiten Satz Phasenfehlerangaben für jeweils entsprechende Abtastwerte über eine zweite Abtastperiode gemäß demselben Phasenfehleralgorithmus, der im Schritt S304 wie oben beschrieben verwendet wurde (z.B. dem Gardner-Algorithmus). Wie oben beschrieben ist jede der Phasenfehlerangaben ein Messwert des Fehlers zwischen der Empfängersymbolzeitgebung und der Signalsymbolzeitgebung für einen bestimmten Abtastwert. Da jedoch die Frequenz der Empfängersymbolzeitgebung aufgrund der von den vorangegangenen Schritten (den Schritten S304 bis S310) bereitgestellten Zeitgebungsgrobsynchronisierung ungefähr richtig ist, oszillieren die Phasenfehlerangaben nicht schnell über die zweite Abtastperiode. Unter Bezugnahme auf 6 können die im Schritt S312 ermittelten Phasenfehlerangaben mit Frequenzen oszillieren, die ungefähr bei oder unter der Frequenz liegen, mit der die gestrichelte Linie 604 oszilliert. Insbesondere oszillieren die Phasenfehler nicht so schnell wie die Linie 602 und oszillieren vorzugsweise etwa so schnell wie (oder langsamer als) die Linie 606.
Des Weiteren werden im Schritt S312 die Phasenfehlerangaben an das Mittelungsmodul 208 ausgegeben, das den Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehler über die zweiten Abtastperiode ermittelt. Wie oben beschrieben, können die Phasenfehlerangaben nach einer der Gleichungen 1 bis 3 ermittelt werden. Das Mittelungsmodul 208 kann einen Laufdurchschnitt berechnen, während die Phasenfehlerangaben ermittelt werden. So wird kein Vektor der Phasenfehlerangaben verwendet, was im Gegensatz zur Verwendung des Fehlervektors durch das Fourier-Transformationsmodul 206 wie oben beschrieben steht. Wie oben beschrieben sollten die Phasenfehlerangaben über die zweite Abtastperiode nicht allzu stark variieren, damit der Durchschnitt der Phasenfehlerangaben zur Feinabstimmung der Phase der Empfängersymbolzeitgebung zweckdienlich ist, sonst kann es sein, dass der PLL nicht in der Lage ist, mit der richtigen Signalzeitgebung zu verriegeln. Daher kann die erste Abtastperiode, die dazu verwendet wird, die Fourier-Transformation im Schritt S306 zu ermitteln, länger sein als die zweite Abtastperiode, über die die Phasenfehler im Schritt S312 gemittelt werden. Beispielsweise kann die erste Abtastperiode ~8192 Abtastwerte aufweisen wie oben beschrieben und die zweite Abtastperiode ~2000 Abtastwerte oder weniger aufweisen. D.h. das Mittelungsmodul 208 kann die Phasenfehler im Schritt S312 über ~2000 Abtastwerte mitteln.
Der Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben wird aus dem Mittelungsmodul 208 ausgegeben und dem Empfangsmodul 202 bereitgestellt. Im Schritt S314 stellt das Empfangsmodul 202 die Phase der Empfängersymbolzeitgebung basierend auf dem ermittelten Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben ein. Dies wird erreicht, indem die mittlere Phasenfehlerangabe in den PLL des Zeitgebungsmoduls 210 eingegeben wird, das dann bewirkt, dass die Empfängerzeitgebung entsprechend mit dem Ziel eingestellt wird, den Phasenfehler der Empfängerzeitgebung zu reduzieren. Wo z.B. der Phasenfehleralgorithmus der Gardner-Algorithmus ist, zeigt eine positive mittlere Phasenfehlerangabe, dass das Empfangsmodul 202 das Datensignal später abtastet als die in 4 dargestellten idealen Abtastpunkte. Im Gegensatz dazu zeigt eine negative mittlere Phasenfehlerangabe an, dass das Empfangsmodul 202 das Datensignal früher abtastet als die in 4 dargestellten idealen Abtastpunkte. Daher kann durch Einstellen der Zeitgebung, mit der das Datensignal abgetastet wird, basierend auf den gemittelten Phasenfehlerangaben die Empfängersymbolzeitgebung so eingestellt werden, dass sie genauer mit der Signalsymbolzeitgebung übereinstimmt.
Die Grobeinstellung wird über eine ausreichend lange Abtastperiode (die hier als die „erste Abtastperiode“ bezeichnet wird) so durchgeführt, dass die Frequenz der Empfängerzeitgebung nahe genug an der Frequenz der Signalzeitgebung liegt, dass die Phasenfeineinstellung mit der Signalzeitgebung verriegelt wird. Die Zeitgebungsgrobeinstellung (Schritte S304 bis S310) wird einmal durchgeführt, um die Empfängerfrequenz ungefähr richtig zu treffen, dann kann die Phasenfeineinstellung (Schritte S312 und S314) mehr als einmal (z.B. durchgängig) durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Empfängerzeitgebung richtig nach der Signalzeitgebung ausgerichtet bleibt.
Die Mittelung der Phasenfehlerangaben wird durchgeführt, um Probleme zu bewältigen, die von Kanalbedingungen, die das Datensignal durchläuft, wie z.B. Rauschen und/oder Kanalverzerrung, verursacht werden. Je stärker das Rauschen ist, von dem erwartet wird, dass das Datensignal es durchläuft, desto länger kann die Abtastperiode sein, die vom Mittelungsmodul 208 benötigt wird, um die Phasenfehlerangaben zu mitteln und somit die Wirkungen des Rauschens zu überwinden, wenngleich anzumerken ist, dass diese Abtastzeitperiode womöglich nicht in Echtzeit einstellbar ist. Wie oben beschrieben stellt die Analyseeinheit 214 dem Fehlermodul 204 eine Angabe der Kanalbedingungen bereit, die das Datensignal durchläuft (ermittelt aufgrund der Spitze der Fourier-Transformation der Phasenfehlerangaben). Die zweite Abtastperiode kann so gesteuert werden, dass sie kleiner ist als die erste Abtastperiode, wie oben beschrieben. Wenn z.B. die für die Zeitgebungsgrobeinstellung verwendete erste Abtastperiode 8192 Abtastwerte lang dauert, dann weist die Frequenzeinstellung im Schritt S310 eine Genauigkeit von etwa 0,02 % auf, wie oben beschrieben. Mit einer längeren ersten Abtastperiode (z.B. 16384 Abtastwerte) wiese die Frequenzeinstellung im Schritt S310 eine höhere Genauigkeit (z.B. eine Genauigkeit von etwa 0,01 %) auf, sodass die Phasenfehlerangaben, die im Schritt S312 gemittelt werden, nicht so schnell oszillieren würden und somit eine längere zweite Abtastperiode für die Phasenfeineinstellung verwendet werden kann.
Falls des Weiteren die Kanalbedingungen z.B. dergestalt sind, dass die Amplitude der Phasenfehlerangaben gegenüber der bei ausbleibender Kanalverzerrung zu erwartenden um 50 % reduziert ist, drückt sich dies durch einen Abfall der Spitze in der FFT der Phasenfehlerangaben um 50 % aus. Diese Information wird an das Fehlermodul 204 zurückgeführt, sodass für die Phasenfeineinstellung bekannt ist, dass aufgrund der Kanalbedingungen der Pegel der Phasenfehlerangaben 50 % geringer sein wird als erwartet. Dies kann bei der Ermittlung der mittleren Phasenfehlerangabe über die zweite Abtastperiode berücksichtigt werden. Beispielsweise können Verstärkungen an die Kanalbedingungen angelegt werden, um die Phasenfehlerangaben so einzustellen, dass die Kanalbedingungen berücksichtigt werden, bevor die Phasenfehlerangaben gemittelt werden (oder nachdem die Phasenfehlerangaben gemittelt wurden). Beispielsweise könnten die Phasenfehlerangaben verdoppelt werden, bevor sie gemittelt werden, um die Angabe zu berücksichtigen, dass die Pegel der Phasenfehlerangaben aufgrund der Kanalbedingungen um 50 % zurückgegangen sind. Daher können im Allgemeinen die vom Fourier-Transformationsmodul 206 ermittelten Kanalbedingungen während der feinen Phaseneinstellung berücksichtigt werden (z.B. um die entweder vor dem oder innerhalb des PLL des Zeitgebungsmoduls 210 an die Phasenfehlerangaben angelegten Verstärkungen einzustellen), um die Zeitgebung der Empfängersymbolzeitgebung in der feinen Phaseneinstellungsphase richtig einzustellen. Da die Fehlergrobeinstellungsstufe denselben Phasenfehleralgorithmus verwendet wie die Fehlerfeineinstellung, können die Ergebnisse der groben Fehlereinstellung (z.B. der Spitzenpegel der Fourier-Transformation des ersten Satzes Phasenfehlerangaben) dazu verwendet werden, Informationen über die Kanalbedingungen herzuleiten und die an die vom Phasenfehleralgorithmus während der feinen Phaseneinstellung gemäß den ermittelten Kanalbedingungen ermittelten Phasenfehlerangaben angelegten Verstärkungen einzustellen. Daher wird die Genauigkeit der feinen Phaseneinstellung basierend auf den Ergebnissen der groben Fehlereinstellung (z.B. basierend auf dem Spitzenpegel der Fourier-Transformation des ersten Satzes Phasenfehlerangaben) verbessert, die eine Angabe der Kanalbedingungen bereitstellen, die das Datensignal durchläuft. So wird die Funktion des PLL so eingestellt, dass sie den bestimmten Kanalbedingungen entspricht, die das Datensignal 100 durchläuft. Das hilft, die Dynamik der Feinzeitgebungsschleife und den Erfassungsbereich über unterschiedliche Kanalbedingungen konstant zu halten und zu ermöglichen, dass das Empfangsmodul 202 die Empfängersymbolzeitgebung zuverlässiger so einstellt, dass sie mit der Signalsymbolzeitgebung übereinstimmt.
Daher kann kurzgefasst nach Verwendung des Phasenfehleralgorithmus in Kombination mit dem Fourier-Transformationsmodul 206, um Symbolzeitgebungsgrobeinstellung (z.B. eine Einstellung der Frequenz der Empfängersymbolzeitgebung) zu erreichen, die Fourier-Transformationsphase entfernt oder übergangen werden, was ermöglicht, dass der Durchschnitt der Phasenfehlerangaben für die Symbolzeitgebungsfeineinstellung (z.B. die Einstellung der Phase der Empfängersymbolzeitgebung) verwendet wird. Derselbe Phasenfehleralgorithmus kann daher sowohl für die Empfängerzeitgebungsgrobals auch für die -feineinstellungsstufe verwendet werden, was Codegröße und Implementierungszeit spart.
Sobald die Phasengrob- und die -feinstellungsphase ausgeführt wurden, stimmt die Empfängersymbolzeitgebung stark mit der Signalsymbolzeitgebung überein, und die Ausgabe aus dem Empfangsmodul 202 (in 2 als „Datenausgabe“ bezeichnet) kann zuverlässig als Darstellung der in dem Datensignal vorliegenden Datensignale verwendet werden. Wie oben erwähnt kann die Zeitgebungsgrobeinstellung einmal (z.B. beim Start) angewandt werden, um die Frequenz der Empfängerzeitgebung ungefähr richtig zu treffen, und kann dann die Zeitgebungsfeineinstellung wiederholt angewandt werden, um sicherzustellen, dass sich die Empfängerzeitgebung (Frequenz und Phase) auf die Signalzeitgebung eingestellt hat.
Die oben im Detail beschriebenen Beispiele betreffen das Einstellen der Empfängersymbolzeitgebung, sodass sie genauer mit der Signalsymbolzeitgebung übereinstimmt. Wie oben beschrieben, können entsprechende Grundsätze verwendet werden, die Empfängerträgerzeitgebung so einzustellen, dass sie genauer mit der Signalträgerzeitgebung übereinstimmt. D.h. die oben beschriebenen Verfahren zur Einstellung der Empfängersymbolzeitgebung können angemessen so angepasst werden, dass sie zur Einstellung der Empfängerträgerzeitgebung angewandt werden. Eine Trainingssequenz kann verwendet werden, damit sich der Empfänger 102 auf die Trägerzeitgebung einstellt. Eine Trainingssequenz ist eine Standardabfolge von Datensymbolen, die im Voraus sowohl dem Sender als auch dem Empfänger 102 bekannt sind, und wird vor dem Senden reeller Daten gesendet, sodass sich der Empfänger 102 auf die Trägerzeitgebung einstellen kann, bevor die reellen Daten gesendet werden.
Eine Frequenzverschiebung zwischen der Empfängerträgerzeitgebung und der Signalträgerzeitgebung führt zu einem empfangenen Signal, das in der komplexen Ebene rotiert. Gemäß den hier beschriebenen Beispielen wird ein erster Satz Phasenfehlerangaben für unterschiedliche Abtastwerte über eine erste Abtastzeitperiode unter Verwendung eines geeigneten Phasenfehleralgorithmus ermittelt. Der erste Satz Phasenfehlerangaben bildet einen Fehlervektor aus. Eine Fourier-Transformation wird auf den Fehlervektor angewandt, der dann analysiert wird, um eine Frequenzdifferenz zwischen der Empfängerträgerfrequenz und der Signalträgerfrequenz zu ermitteln. Eine Zeitgebungsgrobeinstellung wird durch Einstellen der Frequenz der Empfängerträgerzeitgebung gemäß der ermittelten Frequenzdifferenz erreicht. Nachdem die Zeitgebungsgrobeinstellung implementiert wurde, wird ein zweiter Satz nachfolgender Phasenfehlerangaben unter Verwendung desselben Phasenfehleralgorithmus ermittelt, und diese Phasenfehlerangaben werden über eine zweite Abtastperiode (die kürzer sein kann als die erste Abtastperiode) gemittelt. Zeitgebungsfeineinstellung wird erreicht, indem die Phase der Empfängerträgerzeitgebung unter Verwendung des PLL im Zeitgebungsmodul 210 basierend auf dem Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben eingestellt wird.
Wenn die Verfahren zur Einstellung der Empfängerträgerzeitgebung verwendet werden, kann ein anderer Phasenfehleralgorithmus als der Gardner-Algorithmus verwendet werden. Der für die Empfängerträgereinstellung verwendete Phasenfehleralgorithmus kann Phasenfehlerangaben durch Ermitteln eines Winkels relativ zur reellen Achse in der komplexen Ebene ermitteln. Das M-Power-Verfahren z.B. ist ein bekanntes Verfahren zur Ausrichtung von Abtastwerten nach der reellen Achse, sodass Abweichungen von der reellen Achse Fehler in der Empfängerzeitgebung darstellen. Beispielsweise sollten bei einem Quadraturamplitudenmodulations- (QAM-) Signal M = 4, sodass jeder Abtastwert in die 4. Potenz erhoben wird, sodass in der komplexen Ebene Abtastwerte im Winkel von $\frac{π}{4}, \frac{3 π}{4}, \frac{5 π}{4} und \frac{7 π}{4}$
zur positiven reellen Achse stehen (da fehlerfreie QAM-Abtastwerte in der komplexen Ebene sein sollten), wenn sie in die 4. Potenz erhoben werden, alle entlang der reellen Achse (in negativer Richtung) liegen. Die Differenzen des komplexen Winkels zwischen den 4. Potenzen der Abtastwerte und der negativen reellen Achse sind Angaben von Phasenfehlern in der Empfängerträgerzeitgebung. Falls eine Frequenzverschiebung zwischen der Empfängerträgerzeitgebung und der Signalträgerzeitgebung vorliegt, dann sind die ermittelten Phasenfehlerangaben periodisch (z.B. sinusförmig). Daher können die Trägerphasenfehlerangaben wie oben in Bezug auf die vom Gardner-Algorithmus ermittelten Symbolphasenfehlerangaben beschrieben dazu verwendet werden, zunächst Trägerzeitgebungsgrobeinstellung basierend auf der Fourier-Transformation eines ersten Satzes der Phasenfehlerangaben durchzuführen und dann Trägerzeitgebungsfeineinstellung basierend auf dem Durchschnitt eines zweiten Satzes der Phasenfehlerangaben durchzuführen.
Im Allgemeinen können sämtliche oben beschriebenen Funktionen, Verfahren, Techniken oder Komponenten in Modulen unter Verwendung von Software, Firmware, Hardware (z.B. fixe Logikschaltungen) oder jeder beliebigen Kombination dieser Implementierungen implementiert werden. Die Begriffe „Modul“, „Funktionalität“, „Komponente“, „Block“ und „Logik“ stehen wie hier verwendet allgemein für Software, Firmware, Hardware oder jede beliebige Kombination davon.
Im Falle einer Software-Implementierung steht das Modul, die Funktionalität, die Komponente, der Block oder die Logik für Programmcode, der spezielle Aufgaben erfüllt, wenn er auf einem Prozessor (z.B. einer oder mehreren CPU) ausgeführt wird. In einem Beispiel können die beschriebenen Verfahren von einem mit Software konfigurierten Computer in maschinell lesbarer Form auf einem computerlesbaren Medium gespeichert durchgeführt werden. Eine solche Konfiguration eines computerlesbaren Mediums ist ein Signale tragendes Medium und ist somit ausgelegt, die Befehle (z.B. als Trägerwelle) an die Rechnervorrichtung zu übertragen, z.B. über ein Netz. Das computerlesbare Medium kann auch als computerlesbares Speichermedium ausgelegt sein und ist demnach kein Signale tragendes Medium. Beispiele für ein computerlesbares Speichermedium umfassen einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Nur-LeseSpeicher (ROM), eine optische Diskette, einen Flash-Speicher, einen Festplattenspeicher und andere Speichervorrichtungen, die magnetische, optische und andere Verfahren anwenden können, um Anweisungen oder andere Daten zu speichern, und auf die eine Maschine zugreifen kann.
Die Software kann in Form eines Computerprogramms, das Computerprogrammcode zum dahingehenden Konfigurieren eines Computers umfasst, dass dieser die Bestandteile beschriebener Verfahren ausführt, oder in Form einer Computerprogramms vorliegen, das Computerprogrammcodemittel umfasst, die angepasst sind, alle Schritte eines der hier beschriebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer abgespielt wird und wobei das Computerprogramm auf einem computerlesbaren Medium implementiert sein kann. Der Programmcode kann in einem oder mehreren computerlesbaren Medien gespeichert sein. Die Merkmale der hier beschriebenen Verfahren sind plattformunabhängig, d.h. dass die Verfahren auf vielerlei Rechnerplattformen mit vielerlei Prozessoren implementiert werden können.
Einschlägige Fachleute werden auch erkennen, dass alles oder ein Teil der Funktionalität, Techniken oder Verfahren von einer zweckbestimmten Schaltung, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, einer programmierbaren Logikanordnung, einer feldprogrammierbaren Gate-Anordnung oder dergleichen ausgeführt werden kann. Beispielsweise kann das Modul, die Funktionalität, die Komponente, der Block oder die Logik Hardware in Form von Schaltungen umfassen. Solche Schaltungen können Transistoren und/oder andere Hardware-Elemente umfassen, die in einem Herstellungsverfahren verfügbar sind. Solche Transistoren und/oder andere Elemente können dazu verwendet werden, Schaltungen oder Strukturen auszubilden, die Speicher implementieren und/oder enthalten, wie z.B. Register, Flipflops oder Pufferspeicher, logische Operatoren, wie z.B. Boolesche Operationen, mathematische Operatoren, wie beispielsweise Addierer, Multiplikatoren oder Schieber und Zwischenverbindungen. Solche Elemente können als Kundenschaltungen oder Standardzellbibliotheken, Makros oder auf anderen Abstraktionsebenen bereitgestellt werden. Solche Elemente können in einer speziellen Anordnung miteinander verbunden sein. Das Modul, die Funktionalität, die Komponente oder die Logik kann Schaltungen, die fixe Funktionen aufweisen, und Schaltungen, die zum Durchführen einer oder mehrerer Funktionen programmiert sind, umfassen; solche Programmierung kann aus einer Firmware- oder Software-Aktualisierung oder aus Steuerungsmechanismen bereitgestellt werden. In einem Beispiel weist Hardware-Logik Schaltungen auf, die einen Vorgang mit fixer Funktion, eine Zustandsmaschine oder ein Verfahren implementiert.
Es ist auch vorgesehen, Software einzuschließen, die die Konfiguration von Hardware „beschreibt“ oder definiert, die ein Modul, eine Funktionalität, eine Komponente oder eine Logik wie oben beschrieben implementiert, wie z.B. HDL-(Hardware-Beschreibungslogik-) Software, wie sie zum Konzipieren integrierter Schaltungen oder zum Konfigurieren programmierbarer Chips zum Ausführen gewünschter Funktionen verwendet wird. Das bedeutet, es kann ein computerlesbares Speichermedium bereitgestellt sein, auf dem computerlesbarer Programmcode zur Erzeugung einer Prozessoreinheit, die ausgelegt ist, eines der hier beschriebenen Verfahren durchzuführen, oder zur Erzeugung einer Prozessoreinheit, die eine hier beschriebene Vorrichtung umfasst, codiert ist.
Die Begriffe „Prozessor“ und „Computer“ werden hier zur Bezeichnung einer beliebigen Vorrichtung oder eines beliebigen Teils davon mit derartiger Prozessorfähigkeit, dass sie/er Anweisungen ausführen kann, oder einer zweckbestimmten Schaltung, die in der Lage ist, alles oder einen Teil der Funktionalität oder Verfahren auszuführen, oder einer beliebigen Kombination davon verwendet.
Wenngleich der Gegenstand in einer Sprache speziell für Strukturmerkmale und/oder methodische Vorgänge beschrieben wurde, versteht sich, dass der in den beigefügten Patentansprüchen definierte Gegenstand nicht zwangsläufig auf die speziellen oben beschriebenen Merkmale oder Vorgänge beschränkt ist. Vielmehr sind die speziellen oben beschriebenen Merkmale und Vorgänge als beispielhafte Formen für die Implementierung der Patentansprüche offenbart. Es versteht sich, dass die oben stehenden Nutzen und Vorteile ein Beispiel betreffen können oder mehrere Beispiele betreffen können.
Jeder hier angeführte Bereich oder Wert kann ausgeweitet oder verändert werden, ohne die angestrebte Wirkung zu verfehlen, wie für einschlägige Fachleute offenkundig ist. Die Schritte der hier beschriebenen Verfahren können in jeder beliebigen geeigneten Reihenfolge oder angemessenenfalls gleichzeitig ausgeführt werden. Aspekte jedes beliebigen der oben beschriebenen Beispiele können mit Aspekten jedes beliebigen der anderen beschriebenen Beispiele kombiniert werden, um weitere Beispiele zu bilden, ohne die angestrebte Wirkung zu verfehlen.

Claims

Verfahren zur Einstellung einer Empfängerzeitgebung, sodass diese genauer mit einer Signalzeitgebung eines Datensignals übereinstimmt, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen des Datensignals in Übereinstimmung mit der Empfängerzeitgebung; Ermitteln eines ersten Satzes Phasenfehlerangaben, die Phasenfehler zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung gemäß einem bestimmten Phasenfehleralgorithmus angeben, wobei der erste Satz Phasenfehlerangaben einen Fehlervektor bildet; Anwenden einer Fourier-Transformation auf den Fehlervektor; Analysieren der Fourier-Transformation des Fehlervektors, um eine Frequenzkomponente des Fehlervektors zu ermitteln, die eine Frequenzdifferenz zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung identifiziert; Einstellen der Empfängerzeitgebung basierend auf der identifizierten Frequenzdifferenz; Ermitteln eines Durchschnitts eines zweiten Satzes Phasenfehlerangaben, die Phasenfehler zwischen der eingestellten Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung gemäß dem bestimmten Phasenfehleralgorithmus angeben; und Einstellen der Empfängerzeitgebung basierend auf dem ermittelten Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen der Empfängerzeitgebung basierend auf der identifizierten Frequenzdifferenz ein Einstellen der Frequenz der Empfängerzeitgebung basierend auf der identifizierten Frequenzdifferenz umfasst, und wobei das Einstellen der Empfängerzeitgebung basierend auf dem ermittelten Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben ein Einstellen der Phase der Empfängerzeitgebung basierend auf dem ermittelten Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Satz Phasenfehlerangaben über eine erste Abtastperiode ermittelt wird und wobei der Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben über eine zweite Abtastperiode ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Abtastperiode länger ist als die zweite Abtastperiode.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Signalzeitgebung eine Symbolzeitgebung von Datensymbolen im Datensignal ist und wobei die Empfängerzeitgebung die Zeitgebung ist, mit der das Datensignal abgetastet wird, um in dem Schritt des Empfangens des Datensignals die Datensymbole zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der bestimmte Phasenfehleralgorithmus der Gardner-Algorithmus ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei nur reelle Komponenten des Datensignals in einem oder beiden der folgenden Schritte im Gardner-Algorithmus verwendet werden: (i) Ermitteln des ersten Satzes Phasenfehlerangaben und (ii) Ermitteln des Durchschnitts des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei im Gardner-Algroithmus komplexe Werte, die für das Datensignal stehen, verwendet werden, wobei in einem oder beiden der folgenden Schritte: (i) Ermitteln des ersten Satzes Phasenfehlerangaben und (ii) Ermitteln des Durchschnitts eines zweiten Satzes Phasenfehlerangaben, die Phasenfehlerangaben durch Summieren der Messwerte von Phasenfehlern reeller Komponenten der komplexen Werte mit Messwerten von Phasenfehlern imaginärer Komponenten der komplexen Werte ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei in einem oder beiden der folgenden Schritte: (i) Ermitteln des ersten Satzes Phasenfehlerangaben und (ii) Ermitteln des Durchschnitts eines zweiten Satzes Phasenfehlerangaben, die Phasenfehlerangaben durch Durchführen einer kohärente Summe von phasengleichen und phasenverschobenen Maßen von Phasenfehlern ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Schritt des Ermittelns des ersten Satzes Phasenfehlerangaben ein Kombinieren einer phasengleichen Komponente mit einer Quadraturkomponente in Bezug zur phasengleichen Komponente umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, das ferner ein Bestimmen der Stärke der höchsten Spitze der Fourier-Transformation des Fehlervektors umfasst, um dadurch eine Angabe von von dem Datensignal erfahrenen Kanalbedingungen zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner ein Normalisieren von Abtastwerten des Datensignals umfasst, wobei die normalisierten Abtastwerte zum Ermitteln des ersten Satzes Phasenfehlerangaben verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, das ferner ein Anlegen von Verstärkungen an den zweiten Satz Phasenfehlerangaben umfasst, wobei die Verstärkungen basierend auf der ermittelten Angabe von Kanalbedingungen eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Empfängerzeitgebung unter Verwendung eines Phasenregelkreises gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Signalzeitgebung eine Trägerzeitgebung des Datensignals ist und wobei die Empfängerzeitgebung eine Schätzung der Trägerzeitgebung ist, die in dem Schritt des Empfangens des Datensignals verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Frequenzkomponente des Fehlervektors durch Identifizieren der Frequenz der höchsten Spitze in der Fourier-Transformation des Fehlervektors ermittelt wird.
Empfänger, der ausgelegt ist, eine Empfängerzeitgebung so einzustellen, dass sie genauer mit einer Signalzeitgebung eines Datensignals übereinstimmt, wobei der Empfänger umfasst: ein Empfangsmodul, das ausgelegt ist, das Datensignal in Übereinstimmung mit der Empfängerzeitgebung zu empfangen; ein Fehlermodul, das ausgelegt ist, einen ersten Satz Phasenfehlerangaben zu ermitteln, die Phasenfehler zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung gemäß einem bestimmten Phasenfehleralgorithmus angeben, wobei der erste Satz Phasenfehlerangaben einen Fehlervektor bildet; und ein Fourier-Transformationsmodul, das ausgelegt ist, eine Fourier-Transformation auf den Fehlervektor anzuwenden, wobei das Fourier-Transformationsmodul ferner ausgelegt ist, die Fourier-Transformation des Fehlervektors zu analysieren, um eine Frequenzkomponente des Fehlervektors zu ermitteln, die eine Frequenzdifferenz zwischen der Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung identifiziert; wobei das Empfangsmodul ausgelegt ist, die Empfängerzeitgebung basierend auf der identifizierten Frequenzdifferenz einzustellen; wobei das Fehlermodul ausgelegt ist, einen Durchschnitt eines zweiten Satzes Phasenfehlerangaben zu ermitteln, die Phasenfehler zwischen der eingestellten Empfängerzeitgebung und der Signalzeitgebung gemäß dem bestimmten Phasenfehleralgorithmus angeben; und wobei das Empfangsmodul ausgelegt ist, die Empfängerzeitgebung basierend auf dem ermittelten Durchschnitt des zweiten Satzes Phasenfehlerangaben einzustellen.
Empfänger nach Anspruch 17, wobei die Signalzeitgebung eine Symbolzeitgebung von Datensymbolen im Datensignal ist und wobei die Empfängerzeitgebung die Zeitgebung ist, mit der das Empfangsmodul ausgelegt ist das Datensignal abzutasten, um die Datensymbole zu ermitteln, und wobei der bestimmte Phasenfehleralgorithmus der Gardner-Algorithmus ist.
Empfänger nach Anspruch 17, wobei die Signalzeitgebung eine Trägerzeitgebung des Datensignals ist und wobei die Empfängerzeitgebung eineSchätzung der Trägerzeitgebung ist, für die das Empfangsmodul ausgelegt ist, sie zum Empfangen des Datensignals zu verwenden.
Empfänger nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Fourier-Transformationsmodul eine Analyseeinheit umfasst, die ausgelegt ist, die Frequenz der höchsten Spitze in der Fourier-Transformation des Fehlervektors zu identifizieren, um so die Frequenzkomponente des Fehlervektors zu ermitteln.
Computerlesbares Speichermedium, auf dem computerlesbarer Code verschlüsselt ist, der so angepasst ist, dass er die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ausführt, wenn der Code auf einem Computer abgespielt wird.