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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren in einem Kommunikationssystem zum empfängerseitigen Bestimmen einer
senderseitig verwendeten Modulation bei adaptiver Modulation sowie
eine Demodulationsvorrichtung in einem Kommunikationssystem zum
Durchführen
eines solchen Verfahrens.
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Bei verschiedenartigen Kommunikationssystemen,
beispielsweise dem UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
als Mobilfunksystem oder WLAN (Wireless Local Area Network) als
funkgestütztem
Datennetz werden zur Übertragung
von Daten über
eine Funkschnittstelle zwischen zwei Stationen digitale Kodierungs-
und Modulationsverfahren verwendet. Damit soll einerseits eine optimale Ausnutzung
der verfügbaren
Ressourcen der Funkschnittstelle und andererseits eine möglichst
sichere, dass heißt
verlustfreie Übertragung
von Daten ermöglicht
werden. Beispielhafte Modulationsverfahren sind das BPSK und das
QPSK (Binary bzw. Quadrature Phase Shift Keying), welche im unkodierten
Fall eine unterschiedliche Bandbreiteeffizienz bei unterschiedlicher
Robustheit gegenüber
Störungen
des Übertragungskanals
aufweisen. Bei diesen Verfahren werden einzelne Datenbit (BPSK)
bzw. Paare von Datenbit (QPSK) vor dem Versenden jeweils einem von
zwei bzw, vier verschiedenen zulässigen
Phasenzuständen
zugeordnet und entsprechend zu einem so genannten Symbol moduliert.
Empfängerseitig
wird ein derartiges empfangenes Symbol unter Kenntnis des senderseitig
verwendeten Modulationsverfahrens entsprechend demoduliert, um die
ursprünglichen
Daten zurückzugewinnen.
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Allgemein bekannt ist auch eine so
genannte adaptive Modulation, welche beispielsweise in Zusammenhang
mit Multiträger- Übertragungstechniken verwendet
wird. Dabei wird senderseitig die Übertragungsfunktion des verfügbaren Kanals
beobachtet, um subträgerspezifisch
ein bestgeeignetes Modulationsverfahren davon abhängig auszuwählen und
für die
Modulation zu verwenden. Auf Subträgern, welche durch den Kanaleinfluss
stark gedämpft
werden, wird entsprechend ein niederwertiges Modulationsverfahren,
ggf. gar kein Modulationsverfahren eingesetzt, wohingegen auf weniger
stark gedämpften
Trägern
höherwertige
Modulationsverfahren zum Einsatz kommen, um die Kapazität der Subkanäle bzw. Subträger bestmöglich auszunutzen.
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Die Festlegung der auf den einzelnen
Subträgern
zu verwendenden Modulationsverfahren erfolgt mittels eines so genannten
Ladealgorithmus. Bekannte Ladealgorithmen zielen entweder auf eine Maximierung
der Gesamt-Datenrate bei einer vorgegebenen festen Ziel-Bitfehlerrate
oder auf eine Minimierung der Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei einer
fest vorgegebenen Datenrate, dass heißt einer vorgegebenen mittleren
Anzahl von Bit pro Modulationssymbol ab. Algorithmen der letztgenannten
Art sind in der Regel aufwändiger,
jedoch ist die wohldefinierte Datenrate für höhere Protokollschichten des
Kommunikationssystems einfacher zu handhaben.
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Empfängerseitig muss die Demodulation
eines empfangenen Symbols entsprechend dem vom Sender verwendeten
Ladeschema durchgeführt
werden. Wurde beispielsweise für
eine erste Abfolge von zu übertragenden
Symbolen keine Modulation verwendet, d.h. die betreffenden Symbole
tragen keine Nutzinformation, und für eine zweite Folge von zu übertragenden
Symbolen QPSK verwendet, so müssen
empfängerseitig
die ersten empfangenden Symbole als unmodulierte Symbole behandelt
werden, d.h. es können
keine Daten zurückgewonnen
werden, während
die zweite Folge von Symbolen als QPSK-modulierte Symbole behandelt
und entsprechend demoduliert werden müssen. Damit die empfängerseitige
Station über
das senderseitig zuvor verwendete Ladeschema verfügt, ist
eine Signalisierung zwischen der senderseitigen und der empfängerseitigen
Station erforderlich.
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Diskutiert wird auch die Möglichkeit,
dass die empfängerseitige
Station die entsprechend erforderliche Information über die
senderseitig verwendeten Modulationsverfahren eigenständig aus
dem Empfangssignal bzw. den empfangenen Symbolen rekonstruiert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, ein Verfahren in einem Kommunikationssystem zum empfängerseitigen
Bestimmen einer senderseitig verwendeten Modulation bei adaptiver
Modulation anzugeben, welches eine einfache Bestimmung der senderseitig
verwendeten Modulation ermöglicht, bzw.
eine Demodulationsvorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens
anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren
zum empfängerseitigen
Bestimmen einer senderseitig verwendeten Modulation bei adaptiver
Modulation bzw. durch eine Demodulationsvorrichtung mit den Merkmalen
der unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Vorteilhaft ist ein Verfahren zum
empfängerseitigen
Bestimmen einer senderseitig verwendeten Modulation bei adaptiver
Modulation, bei dem empfängerseitig
auf empfangene Symbole verschiedene oder alle der möglichen
Demodulationsverfahren angewendet werden, woraufhin die erzielten
Demodulationsergebnisse untersucht werden, um ein geeignetes der
Demodulationsergebnisse zu bestimmen. Dies ermöglicht eine schnelle Demodulation
empfangener Symbole mit dem jeweils richtigen Demodulationsverfahren
auch ohne die zuvor signalisierte Information über das senderseitig verwendete
Modulationsverfahren.
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Eine entsprechende Demodulationsvorrichtung
weist vorzugsweise eine Vielzahl von Demodulatoren für die verschiedenen
mög lichen
Demodulationsverfahren, welchen ein empfangenes Symbol zugeführt wird,
sowie eine Entscheidungseinrichtung auf, welche die Demodulationsergebnisse
hinsichtlich einer korrekten Demodulation untersucht. Diese derart
bestimmten demodulierten Daten werden dann für eine weitere Verarbeitung
bereit gestellt. Umsetzbar ist eine derartige Demodulationsvorrichtung
auch durch eine Steuereinrichtung in Form eines Prozessors, wie
er in beispielsweise Mobilfunkgeräten und dergleichen verwendet
wird, in Verbindung mit einem Speicher, in welchem entsprechende Algorithmen
für die
Durchführung
der diversen Modulationsverfahren sowie Speicherraum zum Abspeichern
von Symbolen und Daten verfügbar
ist.
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Vorteilhafterweise kann bei dem Bestimmen des
best geeigneten Demodulationsergebnisses auch auf Informationen
vorheriger oder ggf. nachfolgender demodulierter Symbole zurückgegriffen
werden. Beispielsweise kann auf redundant übertragene Daten bzw. eine
Kanalkodierung zurückgegriffen werden,
welche über
mehrere Symbole hinweg verteilt übertragen
werden, so dass aus Inkonsistenzen gegenüber der empfängerseitig
bekannten Kodiervorschrift auf die falsche Auswahl bei der Demodulation
geschlossen werden kann.
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Prinzipiell ist sowohl eine parallele
als auch eine serielle Abarbeitung bei der Demodulation eines empfangenen
Symbols mit den verschiedenen verfügbaren Demodulationsverfahren
möglich.
Mit Blick auf eine Zeitoptimierung ist dabei eine parallele Abarbeitung
besonders vorteilhaft. Mit Blick auf eine Reduzierung beim baulichen
Aufwand ist eine serielle Abarbeitung vorteilhaft, wobei in einem
Demodulator oder Prozessor auf ein empfangenes Symbol nacheinander
verschiedene Demodulationsverfahren angewendet und die Ergebnisse
zwischengespeichert werden. Anschließend oder parallel zu der Demodulation
mit weiteren Demodulationsverfahren kann dann die Entscheidungsprozedur
durchgeführt
werden, um ein geeignetes bzw. das wahrscheinlich geeignetste Demodulationsergebnis
auszuwählen.
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Bei der Demodulation und Entscheidungsfindung
in Verbindung mit der Kanaldekodierung kann vorteilhafterweise ein
für sich
bekanntes Viterbi-Verfahren verwendet werden. Insbesondere ist auch
der Einsatz eines erweiterten Trellis-Diagramms zur Auswahl der
Verfahrensschrittabfolge vorteilhaft. Neben den möglichen
Zuständen
und Zustandsübergängen eines
senderseitig verwendeten Faltungscodes können zusätzlich aufgrund einer entsprechenden
Erweiterung des Trellis-Diagramms auch alle verfügbaren Demodulationsmöglichkeiten
berücksichtigt
werden. Anhand von Metrikvergleichen kann der Pfad der wahrscheinlichen
Sendefolge und eines am wahrscheinlichsten verwendeten Modulationsverfahren-Ladeschemas
für die
einzelnen empfangenen Symbole bzw. Daten bestimmt werden. Vorteilhafterweise
können
in jedem Trellis-Knoten des Trellis-Diagramms alle einlaufenden
Pfade bis auf denjenigen mit der besten akkumulierten Metrik verworfen
werden.
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Neben einer akkumulierten Metrik
können
in Trellis-Knoten auch weitere Kriterien zum Ausschluss von Pfaden
mit einlaufenden Daten bzw. Symbolen in Betracht gezogen werden.
Beispielsweise kann als Kriterium festgelegt werden, dass die Anzahl
der einem Pfad zugeordneten Modulationssymbole in keinem Knoten
die Anzahl der insgesamt übertragenen Symbole übersteigen
darf. Auch andere besondere Eigenschaften des verwendeten Ladealgorithmus
bei der Pfadauswahl sind berücksichtigbar.
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Weiterhin können neben dem gewöhnlichen Viterbi-Algorithmus,
der als Ausgabe eine hart entschiedene Bitfolge liefert, auch erweiterte
Algorithmen, z.B. die für
sich bekannten SOVA (Soft Output Viterbi Algorithm) oder MAP (Maximum
a Posteriori), LOG-MAP,...) verwendet werden, die zusätzlich je
Bit eine Information über
die Zuverlässigkeit
der Entscheidung an nachgeschaltete Verarbeitungsstufen liefern.
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Beim Bestimmen des besten Modulationsergebnisses
kann vorteilhafterweise auch jeweils eine gleiche Anzahl demodulierter
Daten aus gegebenenfalls unterschiedlicher Anzahl von jeweiligen
Symbolen der verschiedenen der Demodulationsverfahren verarbeitet
werden.
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Vorteilhafterweise ermöglicht die
Verfahrensweise das empfängerseitige
Bestimmen der senderseitig verwendeten Modulation ausschließlich anhand
der empfängerseitig
empfangenen Symbole, ohne dass eine zusätzliche Signalisierung der
Modulationsparameter erforderlich ist. Empfängerseitig kann dabei bei fehlender
Kenntnis über
die senderseitig verfügbare
Modulationsverfahrens-Auswahl auf alle empfängerseitig verfügbaren Demodulationsverfahren
aus der Demodulationsverfahrens-Auswahl
zurückgegriffen
werden.
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Diesbezüglich besonders vorteilhaft
kann auch eine empfängerseitige
Vorgehensweise vorteilhaft sein, bei der je nach momentaner Systemauslastung
oder je nach momentanen Umgebungsbedingungen nur auf bestimmte verfügbare Demodulationsverfahren
zurückgegriffen
wird, um den Verarbeitungsaufwand zu reduzieren. Bei beispielsweise
einer sehr hohen Systemauslastung ist es unwahrscheinlich, dass
empfangene Symbole mit höherwertigen
Modulationsverfahren moduliert wurden. Diese höherwertigen Modulationsverfahren
können
entsprechend bei der Demodulation unberücksichtigt bleiben. Umgekehrt
können
niederwertige Modulationsverfahren ausgelassen werden, wenn empfängerseitig
eine sehr geringe Systemauslastung bei zudem guten Umgebungsbedingungen
festgestellt wird, so dass von einer senderseitigen Modulation mit
einem hochwertigen Modulationsverfahren auszugehen ist.
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Insbesondere im Falle sehr schlechter
Umgebungsbedingungen oder einer sehr hohen Systemauslastung ist
auch die Möglichkeit
zu berücksichtigen,
dass einzelne Symbole von der Datenübertragung ausgenommen werden,
d.h. auf diese keine Nutzinformation moduliert und keine Signalenergie aufgewendet
wird.
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Entsprechend müssen diese Nullsymbole empfängerseitig
für die
Datenrückgewinnung
ignoriert werden.
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Möglich
ist in der Praxis alternativ auch, bei hoher Auslastung des Kommunikationssystems
besonders bandbreiteeffizient, also mit hochwertigen Modulationsverfahren
zu übertragen.
Bei geringer Auslastung kann hingegen mit niederwertigeren Verfahren
eine erhöhte
Robustheit zugelassen werden.
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Die Verfahrensweise ermöglicht es
somit insbesondere im Fall einer faltungskodierten Übertragung
das Ladeschema implizit während
der Dekodierung der Empfangsdaten bzw. empfangenen Symbole zu ermitteln,
so dass eine ausdrückliche
Signalisierung des senderseitigen Ladeschemas nicht erforderlich
ist. Da eine derartige Signalisierung in der Regel mit einer sehr
robusten und somit wenig Bandbreite beanspruchenden effizienten
Modulation und Kodierung erfolgen müsste, erhöht der Verzicht auf diese Signalisierung
die Gesamteffizienz des Kommunikationssystems insbesondere bei einer
hohen Systemauslastung oder schlechten Umgebungsbedingungen deutlich.
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Ein Ausführungsbeispiel mit verschiedenen Ausführungsformen
wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch
eine Anordnung von miteinander kommunizierenden Stationen sowie
Unterkomponenten in diesen,
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2A Unterkomponenten
des Systems aus 1 mit
einer Skizzierung eines Datenflusses,
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2B eine
alternative Ausführungsform dazu,
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3 schematisch
die Zuordnung einzelner Modulationssymbole zu Abschnitten in einem
Trellis-Diagramm,
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4 eine
vereinfachte grafische Darstellung von Trellis-Segmenten und
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5 ein
erweitertes Trellis-Diagramm zur signalisierungsfreien Detektion
und Dekodierung adaptiert modulierter und faltungskodierter Bitfolgen.
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Wie aus 1 ersichtlich, kommunizieren in einem
beispielhaften Funk-Kommunikationssystem WLAN (Wireless Local Area
Network) zwei Stationen MH (Mobile Host) und AP (Access Point) über eine Funk-Schnittstelle
V miteinander. Der Zugriffspunkt ist dabei vorzugsweise mit weiteren
netzseitigen Einrichtungen, beispielsweise einem Router IPR oder darüber weiteren
Zugangspunkten oder ortsfesten Rechnern bzw. Computern H (Hosts)
verbunden. Diese Verbindung wird vorzugsweise kabelgebunden und
gemäß dem Internetprotokoll
IP aufgebaut und aufrecht erhalten. Prinzipiell ist die nachfolgend
beschriebene Verfahrensweise jedoch auch auf andere Kommunikationssysteme,
beispielsweise das funkgestützte
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) oder auch kabelgebundene
Kommunikationssysteme übertragbar.
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Für
die Verbindung über
die Funk-Schnittstelle V soll beispielhaft ein Verfahren verwendet
werden, welches auf eine Ressource mit Unter-Ressourcen zurückgreift.
Beispielsweise kann dies die bekannte orthogonale Frequenzaufteilungs-Modulation OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) sein. Dabei werden zu übertragende
Datensymbole senderseitig auf viele Subträger innerhalb des zur Verfügung stehenden
Frequenzbandes aufmoduliert. Auf jedem einzelnen Subträger findet
hierbei ein lineares Modulationsverfahren (BPSK, QPSK, ...) Anwendung,
wobei unterschiedlichen Subträgern
unterschiedliche Modulationsverfahren zugewiesen sein können. Ferner
kann sich die Zuweisung über
der Zeit ändern.
Empfängerseitig
wird eine entsprechende Demodulation vorgenommen, um aus den senderseitig
erzeugten und über
die Funk- Schnittstelle
V übertragenen
Symbolen s wieder die ursprünglichen Daten
d zu rekonstruieren.
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Vorteilhafterweise weisen die beiden
dargestellten kommunizierenden Stationen für ihren üblichen Betriebsablauf und
die beschriebene Verfahrensweise eine Vielzahl von Einrichtungen
C, M, MM, DM auf, welche als eigene Bauelemente miteinander kommunizierend
ausgebildet sein können
oder prozessorgestützt
mit entsprechend gespeicherten Funktionen und Daten ausgeführt werden
können.
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Die miteinander kommunizierenden
Stationen MH, AP weisen jeweils eine Steuereinrichtung C auf, die
durch einen Prozessor ausgebildet sein kann und für den allgemeinen
Betriebsablauf und die Verarbeitung von zu übertragenden bzw. empfangenen Daten
ausgelegt ist. In einem Speicher M sind für den Betrieb und die Verarbeitung
zu versendender bzw. empfangener Daten erforderliche Parameter und Steueralgorithmen
hinterlegt. Außerdem
bietet der Speicher M Speicherraum zum Zwischenspeichern von zu
versendenden bzw. empfangenen Daten, modulierten Symbolen und dergleichen.
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Die Verfahrensweise zum Modulieren
und Demodulieren von zu übertragenden
Daten d wird nachfolgend in der Richtung von der mobilen Station MH
zu dem netzseitigen Zugriffspunkt AP beschrieben, wobei die Bezeichnungen
senderseitige Station und empfängerseitige
Station verwendet werden, da der umgekehrte Sende- und Verfahrensablauf
gleichermaßen
anwendbar ist.
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Zur Modulation von zu versendenden
Daten d weisen beide Stationen MH, AP einen Modulationseinrichtung
MM auf. Zur Demodulation derart modulierter und als Symbole s übertragener
Daten weisen die Stationen MH, AP außerdem jeweils eine Demodulationseinrichtung
DM auf. Sowohl die Modulationsreinrichtung MM als auch die Demodulationseinrichtung
DM können
beispielsweise als eigenständige
Bauelemente oder als Bestand teil eines prozessorgesteuerten Verfahrensablaufs
realisiert sein. Außerdem
möglich
sind z.B. Realisierungen in programmierbaren Logikbausteinen (FPGA)
oder als Bestandteil eines integrierten Bausteins (ASIC, Spezial-IC),
der auch noch andere Baugruppen beinhaltet.
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Im Falle einer hardwaremäßigen Umsetzung der
Demodulationseinrichtung DM kann diese wahlweise als eine mit Parametern
variabel einstellbare Demodulationseinrichtung oder, wie dargestellt,
als eine Gruppe von einzelnen Demodulatoren DM0, DM1, DM2,... ausgebildet
sein, welchen ein empfangenes Symbol zur Demodulation mit einem
jeweils eigens zugeordneten Demodulationsablauf aus der Vielzahl
verschiedenartiger möglicher
Demodulationsverfahren zugeführt
wird.
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Entsprechend kann auch die Modulationsreinrichtung
MM verschiedenartig realisiert werden und zur Berücksichtigung
verschiedener anwendbarer Modulationsverfahren aus einer Modulationsverfahrens-Auswahl
ausgebildet sein.
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Ein beispielhafter Verfahrensablauf
zur Modulation, Übertragung
und Demodulation von Daten d ist in 2A dargestellt,
wobei die skizzierten Komponenten denen aus 1 entsprechen.
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Ein zu versendendes Datenpaket oder
Datenbit d, das beispielsweise durch Digitalisierung eines analogen
Sprachsignals gewonnen wurde, oder ein von einem mobilen Rechner
bereitgestelltes Datenbit bzw. eine Datenbitsequenz wird der Modulationsreinrichtung
MM zugeführt.
Zuvor oder parallel dazu wird mit Hilfe der Steuereinrichtung C
und weiterer dafür
erforderlicher Einrichtungen die Übertragungsfunktion des gewünschten
Trägers
auf der Funk-Schnittstelle V beobachtet. Abhängig davon wird ein Modulationsverfahren
Mod0, Mod1, Mod2, ... aus einer Modulationsverfahrens-Auswahl MTAB ausgewählt, die
beispielsweise im Speicher M hinterlegt ist. Beim dargestellten
Beispiel wird ein Modulationsverfahren Mod2 ausgewählt und
die entsprechenden Parameter werden der Modulationseinrichtung MM
zugeführt.
Die Modulationseinrichtung MM wendet daraufhin das ausgewählte Modulationsverfahren
Mod2 auf die dem Modulationsverfahren entsprechende Anzahl aufeinanderfolgender
Datenbit an, wodurch ein zu übertragendes
Symbol s2 erzeugt wird.
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Ein derartiges zu übertragendes
Symbol s2 trägt
entweder keine Information, die Information von einem einzigen Datenbit
d oder auch mehreren Datenbit abhängig davon, ob keine Modulation
angewendet wurde, eine einfache Modulation oder eine höherwertige
Modulation angewendet wurde. Bei der für sich bekannten Modulation
BPSK (Binary Phase Shift Keying) werden jeweils zwei Phasenzustände in einem
Symbol zusammengefasst. Bei QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
werden mehrere Phasenzustände
bzw. zwei Datenbit d zu einem zu übertragenden Symbol s2 zusammengefasst.
Bei 16-QAM wird eine kodierte Folge aus vier zu übertragenden Datenbit d zu
einem Symbol zusammengefasst, bei 64-QAM eine kodierte Folge aus
sechs Bit d zu einem Symbol zusammengefasst.
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Je weniger ausgelastet das Kommunikationssystem
WLAN mit Blick auf den Träger
auf der Funk-Schnittstelle V ist und je weniger dämpfende Einflüsse auf
den Träger
durch die Umgebungsbedingungen einwirken, desto höherwertiger
kann das Modulationsverfahren Mod0, Mod1, ... sein, welches für die Modulation
einer Folge von zu übertragenden Datenbit
verwendet wird. Bei höherwertigen
Modulationsverfahren werden dabei jeweils mehrere aufeinanderfolgende
Datenbit d zu dem über
die Funk-Schnittstelle V zu übertragenden
Symbol s2 zusammengefasst.
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Empfängerseitig wird entsprechend
ein über die
Antenne A der empfangenen Station AP empfangenes Symbol s2 demoduliert.
Um die ursprünglichen
Daten bzw. Datenbit d rekonstruieren zu können, ist es erforderlich,
das richtige Demodulationsver fahren auszuwählen, welches dem senderseitigen Modulationsverfahren
zugeordnet ist.
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Im Fall der Ausführungsform in 2A wird entsprechend eine Vielzahl einzelner
Modulatoren DM0, DM1, ... bereitgestellt. Ein über eine Antenne A eintreffendes
Symbol s2, welches senderseitig mit dem zweiten Modulationsverfahren
Mod2 aus der Vielzahl dort verfügbarer
Modulationsverfahren MTAB moduliert wurde, wird empfängerseitig
parallel allen vorhandenen Demodulatoren DM0, DM1, ... zugeführt. Jeder
einzelne dieser Demodulatoren DM0, DM1, ... wendet das ihm zugeordnete
Demodulationsverfahren auf das empfangene Symbol s2 an und gibt
je nach verwendetem Demodulationsverfahren ein Datenbit d1 oder
eine Bitfolge d2, ... als Demodulationsergebnis aus.
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Nachfolgend werden diese verschieden
demodulierten Daten bzw. Datenbit d1, d2, ..., sowie vorzugsweise
für den
Fall einer nicht vorgenommenen Demodulation (Mod0) auch ein nicht
demoduliertes Datenbit d0, welches dem empfangenen Sendesymbol entspricht,
einer Entscheidungseinrichtung DC zugeführt. Die Entscheidungseinrichtung
DC trifft dann eine Entscheidung, welche der zugeführten Daten
d0, d1, d2,.., mit dem richtigen Demodulationsverfahren DM0, DM1,
DM2,... demoduliert wurden. Sofern keine eindeutige Entscheidung
getroffen werden kann, wird von der Entscheidungseinrichtung DC bestimmt,
welches der Demodulationsergebnisse am wahrscheinlichsten das richtige
Ergebnis ist. Daraufhin wird das ausgewählte Demodulationsergebnis, vorliegend
die Daten d2, welche mit dem zweiten Demodulationsverfahren im Demodulator
DM2 demoduliert wurden, als rekonstruierte ursprüngliche Daten d bestimmt und
zur Weiterverarbeitung oder Ausgabe bereitgestellt.
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Die Verfahrensweise ermöglicht somit
eine Dekodierung eines empfangenen Symbols s2 ohne Kenntnis des
senderseitig verwendeten Ladeschemas bzw. Modulationsverfahrens
Mod2.
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Bei einer komplexeren Ausführungsform,
die in 2B dargestellt
ist, wird wieder davon ausgegangen, dass senderseitig Daten d mit
dem zweiten Modulationsverfahren Mod2 aus der senderseitig verfügbaren Vielzahl
von Modulationsverfahren bzw. Modulationsverfahrens-Auswahl MTAB
zur Modulation moduliert wurden.
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Empfängerseitig wird in einem ersten
Verfahrensschritt das über
die Antenne A empfangene Symbol s2 einer Schalteinrichtung SW zugeführt, welche
von der Steuereinrichtung C gesteuert wird. Je nach Vorgabe durch
die Steuereinrichtung C führt die
Schalteinrichtung SW das empfangene Symbol s2 einem oder mehreren
der Demodulatoren DM0, DM1, DM2 in der Demodulatoreinrichtung DM
zu.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
wird davon ausgegangen, dass beispielsweise aufgrund empfängerseitig
festgestellter schlechter Umgebungsbedingungen oder Übertragungsqualität ein höherwertiges
Modulationsverfahren nicht verwendet werden konnte und somit davon
auszugehen ist, dass das hochwertige Demodulationsverfahren DM3 senderseitig
nicht verwendet werden konnte. Empfängerseitig kann durch das Auslassen
einer oder mehrerer Möglichkeiten
für die
Anwendung von Demodulationsverfahren Rechenleistung insbesondere in
Fällen
gespart werden, in denen die Demodulation durch einen Prozessor
in serieller Abarbeitung durchgeführt wird.
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Wie bei der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform
werden die Demodulationsergebnisse, dass heißt die demodulierten Datenbit
oder Daten d1, d2, ..., sowie ein nicht demodulierter Datenwert
d0 aus der Demodulationsstufe DM0 der Entscheidungseinrichtung DC
zugeführt.
Diese bestimmt bei richtiger Bestimmung wiederum den Datenwert d2 aus
dem zweiten Demodulator DM2 als den richtig demodulierten Datenwert
d und gibt diesen als weiter zu verarbeitenden oder auszugebenden
Datenwert d = d2 aus.
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird
von der Entscheidungseinrichtung DC außerdem eine Information DInfo
ausgegeben und der Steuereinrichtung C oder einem entsprechenden Speicherraum
im Speicher M zugeführt.
Die Information kann von der Steuereinrichtung C bei nachfolgenden
Verarbeitungsschritten verwendet werden. Beispielsweise kann als
Information DInfo das zuletzt verwendete Demodulationsverfahren
DM2 mitgeteilt werden, so dass die Steuereinrichtung C für nachfolgend
empfangene und zu verarbeitende Symbole s2 festlegen kann, dass
nur dieses und andere hinsichtlich der Wertigkeit nicht zu weit
entfernte Demodulationsverfahren zur Demodulation verwendet werden.
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Die Information DInfo kann aber auch
einen Wahrscheinlichkeitswert angeben, welcher besagt, mit welcher
Wahrscheinlichkeit die letzte Entscheidung der Entscheidungseinrichtung
als richtig oder falsch anzusehen ist. Der Steuereinrichtung C zugeführt oder
zwischenzeitlich in der Speichereinrichtung M in einem Speicherfeld
d(i-1) hinterlegt werden können
auch Daten d, welche von der Entscheidungseinrichtung DC als rekonstruierte
und richtig demodulierte Daten d ausgegeben werden. Diese bereits
demodulierten und als richtig entschiedenen Daten d können beispielsweise
bei weiteren Verarbeitungsschritten berücksichtig werden. Für den Fall, dass
senderseitig zu versendende Daten d mit einem Kodierungsverfahren
redundant auf eine Vielzahl von zu übertragenden Symbolen s2 verteilt
werden, kann beispielsweise empfängerseitig überprüft werden,
ob zu Daten d aus einem ersten empfangenen Symbol s2 entsprechende
redundante Daten aus den nachfolgend empfangene Symbolen rekonstruiert
werden können.
Falls nein, können
die zuvor empfangenen und ebenfalls in der Speichereinrichtung M
in einem entsprechenden Speicherraum sm zwischengespeicherten Symbole
s2 erneut einer Verarbeitung zugeführt werden.
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Alternativ oder zusätzlich können auch
die einzelnen Demodulationsergebnisse d0, d1, d2, ... der Vielzahl
von Demodula toren DM0, DM1, DM2, ... in dem Speicher M zwischengespeichert
werden, um auf diese zu einem späteren
Zeitpunkt für
eine erneute Verarbeitung in der Entscheidungseinrichtung DC zurückgreifen
zu können.
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Die Entscheidung in der Entscheidungseinrichtung
DC, welcher Ausgangsbitstrom, dass heißt welche der verschiedenen
demodulierten Daten d0, d1, d2, ... jeweils gültig sind, und welche zu verwerfen sind,
wird während
der Dekodierung des Faltungscodes mittels des für sich bekannten Viterbi-Algorithmus
getroffen. Die Dekodierung wird dabei vorzugsweise in einem erweiterten
Trellis-Diagramm vorgenommen, welches neben den möglichen
Zuständen und
Zustandsübergängen des
Faltungscoders auch alle Möglichkeiten
der Demodulation berücksichtigt und
es somit ermöglicht,
anhand von Metrikvergleichen den Pfad der wahrscheinlichsten Sendefolge und
des am wahrscheinlichsten verwendeten Ladeschemas zu identifizieren.
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Die Struktur des beispielhaft verwendeten erweiterten
Trellis-Diagramms wird nachfolgend anhand eines Beispiels und unter
Bezug auf die 3 – 6 dargestellt.
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Senderseitig soll bei diesem Beispiel
nur zwischen drei Modulationsverfahren QPSK, 16-QAM (Quadrature
Amplitude Modulation) und 64-QAM gewählt werden können. Außerdem soll
zur Vereinfachung der Senderseitig verwendete Ladealgorithmus die
Datenrate und somit die Anzahl von Bit pro kodierter Folge konstant
halten. Der verwendete Faltungscode soll zur Vereinfachung die Gedächtnislänge 2 haben,
dass heißt
der zugehörige
Viterbi-Decoder hat ohne eine Erweiterung vier Zustände. Außerdem soll
die kodierte Folge nicht punktiert werden. Diese Annahmen dienen
lediglich der Vereinfachung der Erläuterung. Abweichende Parameter
lassen sich in üblicher
Art und Weise und ohne signifikante Veränderung oder mit geringen Modifikationen
des Detektionsverfahrens bzw. Detektionsalgorithmus realisieren.
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3 veranschaulicht
die Zuordnung von einzelnen Abschnitten im Trellis-Diagramm zu Modulationssymbolen
für die
drei beispielhaften Modulationsverfahren, wobei zur Veranschaulichung
von einer nicht-adaptiven Modulation ausgegangen wird. Das oberste
Diagramm zeigt die Situation im Trellis-Diagramm für eine Modulation
mit dem 16-QAM-Verfahren. Jede Spalte 16-QAM sym 1, 16-QAM sym 2
bzw. 16-QAM sym 3 symbolisiert dabei eines der Symbole s, wie sie über die
Antenne A der senderseitigen Station MH ausgesendet werden. Dargestellt
ist jeweils in einem Kreis ein zweiwertiger Zustand als Ausgangslage.
Von diesen Zustand aus führen
zwei Möglichkeiten
zu einem Folgezustand abhängig
davon, ob in den ersten Zustand ein Bit mit dem Wert „1" oder mit dem Wert „0" eingegeben wird. Die
eingegebenen Bit sind jeweils unter den von dem dargestellten Zustand
nach rechts wegführenden Pfeilen
dargestellt. Die aus dem Zustand bei Eingabe eines bestimmten Eingangsbit
resultierende Ausgabe ist jeweils über dem jeweiligen Pfeil dargestellt. Ausgehend
von zum Beispiel dem ursprünglichen Zustand „00" resultiert bei Eingabe
des Bit „0" die Ausgabe „00" bei gleichzeitigem Übergang
in den Zustand „00", während nach
Eingabe des Bitwertes „1" die Ausgabe „11" lautet und in den
Zustand „01" übergegangen wird. Von dem ursprünglichen
Zustand „01" ausgehend erfolgt
eine Verzweigung zu den nachfolgenden Zustandssymbolen „10" und „11". Vom ursprünglichen
Zustand „10" folgt eine Weiterführung zu
den nachfolgenden Zuständen „00" und „01". Von letztendlich
dem ursprünglichen
Zustand „11" findet ein Übergang
zu den Zuständen „10" bzw. „11" statt. Anfänglich vom
Zustand „00" ausgehend werden
in der ersten Folgestufe die beiden Zustände „00" und „01" und in der zweiten Stufe die Zustände „00", „01", „10" und „11" erreicht. Bei der
Kodierung wird ein eindeutiger Weg durch ein solches Trellis-Diagramm
durchschritten. Um bei der Pfadrückverfolgung
im Decoder einen eindeutigen Ausgangspunkt zu gewährleisten,
wird häufig
durch senderseitiges Anfügen
einer Nullsequenz wieder eine Verjüngung des Diagramms auf in
der letzten Übertragungsstufe ein
einziges Zustandssymbol erzwungen.
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In der zweiten Zeile ist das Trellis-Diagramm für die QPSK-Modulation dargestellt.
Dabei entspricht jede Spalte einem zweiwertigen QPSK-Symbol QPSK-sym 1,
QPSK-sym 2, QPSK-sym 3, QPSK-sym 4, QPSK-sym 5.
Beispielhaft für
eine in dieses Trellis-Diagramm eingegebene Datenfolge werden die
nacheinanderfolgend eingegebene Datenbit „011" betrachtet. Irn ersten Schritt vom
Zustand „00" ausgehend, wird
bei Eingabe des Bit „0" ein erstes Symbol
QPSK-sym 1 mit dem Wert „00" ausgegeben. Das zweite ausgegebene
Symbol QPSK-sym 2 erhält
nach Eingabe des Bit „1" den Wert „11". Das dritte Symbol
QPSK-sym 2 erhält
nach Eingabe des Bit „1" den Wert „01".
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In der dritten Zeile ist das Trellis-Diagramm für das Modulationsverfahren
64-QAM skizziert, bei dem die erzeugten und über die Funk-Schnittstelle übertragenden
Symbole 64-QRM-sym 1 bzw. 64-QAM-sym 2 sind.
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Wegen der aus der übereinander
dargestellten Abfolge der drei Modulationsdiagramme ersichtlichen
unterschiedlichen Länge
der einzelnen Abschnitte bzw. Symbole, welche über die Funk-Schnittstelle V zu übertragen
sind, werden bei der Erstellung eines Trellis-Diagrammes für die Berücksichtigung
von Wechseln zwischen einzelnen dieser Modulationsverfahren für aufeinanderfolgend zu übertragende
Symbole zusätzliche
Pfade eingeführt,
so dass ein erweitertes Trellis-Diagramm entsteht. In dem erweiterten
Trellis-Diagramm kann nun senderseitig nicht nur zwischen einzelnen
Zuständen innerhalb
eines Modulationsverfahrens gewechselt werden sondern auch ein Wechsel
von einem zu dem anderen Modulationsverfahren vorgenommen werden.
Bei den Wechseln ist dabei zu berücksichtigen, dass für die verschiedenen
Modulationsverfahren Symbole mit einer unterschiedlichen Anzahl
zugeordneter Bit erstellt werden, was insbesondere später beim
Dekodieren zu berücksichtigen
ist.
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Zur Erläuterung des in 5 dargestellten erweiterten Trellis-Diagramms
wird die in 4 dargestellte
vereinfachte graphische Repräsentation von
Trellis-Segmenten verwendet. Ausgehend in einer ersten Spalte mit
den vier möglichen
Zuständen „00", „01", „10" und „11" führen die
bereits anhand 3 beschriebenen
Pfade zu den in der zweiten Spalte beschriebenen Zuständen. Unter
den Pfeilen ist wiederum angegeben, welcher Bitzustand in den ersten
Zustand eingegeben wurde, um zu dem entsprechenden zweiten Zustand
zu gelangen, wobei die Ausgabewerte für das zu erstellende Symbol
wiederum oberhalb der Pfeile dargestellt sind. Aus jedem Zustand
werden wie zuvor je nach Eingabe eines Bit „0" oder eines Bit „1" zwei vorgegebene Zustände der
zweiten Spalte angesteuert, wobei die zweite Spalte für den Zeitpunkt
steht, bei dem ein weiteres Bit eingegeben wird, woraufhin ein neues Symbol
im Falle einer 2-wertigen Modulation oder die nächsten beiden Bit für das in
Erstellung befindliche Symbol, wie bei der 16-QAM, bereitgestellt werden.
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Bei dem in 5 dargestellten erweiterten Trellis-Diagramm
wird wie bei 3 durch
die obere Zeile eine 16-QAM, für
die mittlere Zeile eine QPSK-Modulation und für die untere Zeile eine 64-QAM
repräsentiert.
Jede Spalte der oberen beiden Zeilen entspricht dabei einem Zeitpunkt,
zu dem ein weiteres Bit bzw. ein weiterer Datenwert zur Modulation
bereitgestellt und verarbeitet wird. Nach jedem der dargestellten
Abschnitte, welche einem Modulationssymbol zuzuordnen sind, existieren
zusätzliche
Verzweigungen, die jeweils einen möglichen Wechsel des Modulationsverfahrens
zu Beginn des nächsten
Symbols beschreiben. Tatsächlich
steht jeder der dargestellten Pfeile für insgesamt 8 Zustandsübergänge, wobei
in jedem Schritt von den zugeführten
Pfaden eine Auswahl getroffen wird, so dass pro Zustand jeweils
nur ein einlaufender Übergang
nachfolgend weiter berücksichtigt
wird. Bei der Erstellung eines Symbols werden bei QPSK beispielsweise
2 Bit zusammengefasst, bei 16-QAM werden
bei einer kodierten Folge 4 Bit zusammengefasst und bei 64-QAM werden
bei kodierter Folge 6 Bit zusammengefasst.
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Von beispielsweise dem linksseitig
ersten Modulationsschritt ausgehend, wird für die Erstellung des nächsten Symbols
entschieden, ob wiederum QPSK zur Modulierung der nächsten 2
Bit verwendet wird oder hinsichtlich der Modulation auf zum Beispiel
64-QAM gewechselt wird, wobei dann die nächsten sechs aufeinanderfolgenden
Bit zu dem zweiten Symbol zusammengesetzt würden. Zeitlich würde eine
Rückverzweigung
für die
danach erfolgende Erstellung eines dritten Symbols im Falle eines
Wechsels zu QPSK zu einem theoretisch vierten Modulationsschritt
bei QPSK führen,
da zur Modulierung mit ausschließlich QPSK anstelle insgesamt
3 insgesamt 4 Symbole erzeugt worden wären. Nach jeder Symbolerstellung
ist wiederum ein Wechsel in ein anderes Modulationssystem möglich, wobei
zusätzlich
auch hier Wechsel von 64-QAM zu 16-QAM möglich sind. Die Zustände der
mittleren Zeile sind in der Figur im Gegensatz zu den Übergängen nicht
exklusiv der QPSK zugeordnet, sondern werden z.B. auch beim Wechsel
von 16-QAM nach 64-QAM durchlaufen. Bei einer Erweiterung auf weitere
verfügbare
Modulationsverfahren wird das erweiterte Trellis-Diagramm um weitere Zeilen und Verbindungen
erweitert.
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Empfängerseitig kann für die umgekehrte Suche
nach dem wahrscheinlichsten Pfad bei der senderseitigen Modulation
ebenfalls auf das erweiterte Trellis-Diagramm zurückgegriffen
werden, wobei der für
sich bekannte Viterbi-Algorithmus einfach angewendet werden kann.
Bei der Verfahrensweise nach Viterbi wird das erweiterte Trellis-Diagramm
von vorne nach hinten abgearbeitet, wobei für je zwei in denselben Zustand
hineinlaufende Pfeile jeweils das Beste mögliche Ergebnis bestimmt wird.
Anschließend
wird von hinten nach vorne der wahrscheinlichste Pfad gesucht, um
daraufhin eine Abfolge von empfangenen Bit den Symbolen zuzuordnen
und entsprechend eine Rekonstruierung der ursprünglichen Daten vorzunehmen.
Der Viterbi-Decoder sucht somit den wahrscheinlichsten Weg durch das
Trellis-Diagramm, wobei es sich um ein übliches Optimierungsverfahren
handelt. Für
die einzelnen Bit wird jeweils geprüft, was wäre, wenn die einzelnen Demodulatoren
DM0, DM1, DM2, ... das richtige Ergebnis liefern würden.
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In jedem Trellis-Knoten können alle
einlaufenden Pfade bis auf denjenigen mit der besten akkumulierten
Metrik verworfen werden. Neben der akkumulierten Metrik können auch
weitere zusätzliche Kriterien
zum Ausschluss von Pfaden in Betracht gezogen werden. Beispielsweise
kann festgelegt werden, dass die Anzahl der einem Pfad zugeordneten Modulationssymbole
in keinem Knoten die Anzahl der insgesamt übertragenen Symbole übersteigen darf.
Ferner können
besondere Eigenschaften der senderseitig zur Verfügung stehenden
Ladealgorithmen bei der Pfadauswahl berücksichtigt werden. Insbesondere
sind dabei Beschränkungen
möglich,
beispielsweise dass senderseitig bei schlechten Übertragungsfunktionen auf dem
gewählten
Träger
nur bestimmte Modulationsverfahren aus der Modulationsverfahrens-Auswahl,
die prinzipiell zur Verfügung stehen
würde,
verwendet werden dürfen.
Empfängerseitig
können
solche Informationen berücksichtigt werden.
Insbesondere kann empfängerseitig
berücksichtigt
werden, dass in bestimmen Situationen generell nur eine Unterauswahl
der insgesamt verfügbaren
Modulationsverfahrens-Auswahl bei der Sendestation MH verwendet
werden darf, so dass auch empfängerseitig
nur die entsprechende Auswahl von Demodulationsverfahren aus der
prinzipiell verfügbaren
Demodulationsverfahrens-Auswahl DTAB berücksichtigt werden muss. Fehlen
solche Informationen kann empfängerseitig
auch prinzipiell auf sämtliche
theoretisch verfügbaren
Demodulationsverfahren zurückgegriffen
werden, um die empfangenen Daten bzw. Symbole zu demodulieren.