DE10349566A1

DE10349566A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schätzung von Kanaleigenschaften eines Übertragungskanals

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Publication number: DE10349566A1
Application number: DE10349566A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr. Mattes; Peter Gregorius; Paul Georg Lindt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2005-06-09
Also published as: CN1610341A; CN100484113C; US7561639B2; US20050111591A1

Abstract

Zur Schätzung von physikalischen Eigenschaften eines drahtgebundenen oder drahtlosen Übertragungskanals wird vorgeschlagen, ein über den Übertragungskanal empfangenes Signal (f), beispielsweise eine Systemantwort des entsprechenden Übertragungssystems, abzutasten, um auf Grundlage der somit gewonnenen Abtastwerte (f¶d¶) die Momente der Ordnung 0...n des empfangenen Signals (f) zu ermitteln. Mit Hilfe dieser Momente der Ordnung 0...n können n Parameter (P, a, b) einer Übertragungsfunktion des Übertragungskanals bestimmt werden, wobei es sich bei den Parametern um Polynomkoeffizienten, Nullstellen oder Koeffizienten einer Residuendarstellung der Übertragungsfunktion handeln kann. Mit Hilfe dieser Übertragungsfunktion können anschließend die physikalischen Eigenschaften, wie insbesondere die Dämpfungs- und Dispersionseigenschaften, des Übertragungskanals exakt bestimmt oder zumindest näherungsweise abgeschätzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schätzung von Kanaleigenschaften eines Übertragungskanals, wobei die Erfindung insbesondere zur Vorbereitung einer Kompensation von durch den jeweiligen elektrischen Übertragungskanal verursachten Dämpfungs- oder Dispersionseffekten abhängig von den abgeschätzten Kanaleigenschaften eingesetzt werden kann.
Werden elektrische Signale über einen drahtgebundenen oder drahtlosen Übertragungskanal gesendet, werden aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Übertragungskanals bzw. Übertragungsmediums die an dem jeweiligen Empfänger ankommenden Signale nicht mehr die gleiche Signalform wie am Sender besitzen. Diese Signalverformungen sind eine Folge der frequenzabhängigen Dämpfungs- und Dispersionscharakteristik der Übertragungsstrecke. Mit zunehmender Länge des Übertragungskanals, z.B. einer Kupferleitung, nimmt auch die Signalqualität am Empfänger ab. Wird eine kritische Länge überschritten, kann das empfangene Signal unter Umständen nicht mehr korrekt detektiert werden. Durch die physikalischen Eigenschaften des Übertragungskanals, welche nachfolgend als Kanaleigenschaften bezeichnet werden, ist somit eine maximale Reichweite der Signalübertragung definiert.
Sind die physikalischen Kanaleigenschaften des Übertragungskanals, wie insbesondere die Dämpfungs- und Dispersionscharakteristik, einigermaßen bekannt, können durch geeignete Maßnahmen auf der Empfänger- oder Senderseite die durch den Übertragungskanal verursachten Dämpfungs- und Dispersionseffekte zumindest teilweise kompensiert werden, so dass durch diese Kompensation eine Vergrößerung der maximalen Reichweite erzielt werden kann. Die Qualität der Kompensation hängt da bei davon ab, wie genau die Kanaleigenschaften des Übertragungskanals bekannt sind. Je detaillierter die Kenntnis der Kanaleigenschaften ist, umso besser können mögliche Kanalstörungen kompensiert werden. Dabei. ist für eine praktische Realisierung von außerordentlicher Bedeutung, dass der bei der Bestimmung der Kanaleigenschaften und der nachfolgenden Kompensation zu treibender Aufwand noch wirtschaftlich sinnvoll ist.
Die Laufzeit- und Dämpfungskompensation von elektrischen Übertragungskanälen ist eine seit vielen Jahrzehnten bekannte und praktizierte Methode, wobei unterschiedliche Ansätze angewendet wurden bzw. werden. So ist es beispielsweise bekannt, den Übertragungskanal manuell zu vermessen und dann Kompensationselemente auf der Empfänger- oder Senderseite einzeln zu justieren. Dieser Ansatz ist insofern vorteilhaft, da eine sehr genaue Kompensation möglich ist, wobei jedoch jeder Übertragungskanal individuell angepasst werden muss, so dass der Aufwand außerordentlich hoch ist. Gemäß einem weiteren Ansatz ist es auch bekannt, aus einem Satz von vorgegebenen Standardparametern jeweils einen geeigneten Satz zur Leitungskompensation auszuwählen, d.h. die Kompensation erfordert lediglich einen geringen Aufwand, wobei allerdings nur eine unvollkommene Anpassung zwischen den zur Verfügung stehenden Parametersätzen und dem Übertragungskanal möglich ist. Darüber hinaus ist auch bekannt, zur Kompensation Methoden der digitalen Signalverarbeitung einzusetzen, wobei der empfangene Datenstrom im Frequenzbereich analysiert wird, um beispielsweise aus der Beobachtung der Energieverteilung im Frequenzbereich Rückschlüsse auf die Kanaleigenschaften, d.h. die physikalischen Übertragungsparameter des Übertragungskanals, ziehen zu können. Diese Vorgehensweise ist mit dem Vorteil verbunden, dass sie sehr flexibel ist und eine adaptive Kompensation von eventuellen Dämpfungs- und Dispersionseffekten ermöglicht, wobei jedoch ein Problem dieser Vorgehensweise darin liegt, dass die Übertragungsparameter des Übertra gungskanals nur indirekt durch heuristische Methoden geschätzt werden können.
Die zuvor beschriebenen Ansätze lösen das Problem der Parameterschätzung bzw. Parameterkompensation mehr oder weniger gut, wobei all diesen Ansätzen gemeinsam ist, dass sie nicht in der Lage sind, die exakten Übertragungskanalparameter zu ermitteln.
Grundsätzlich wäre für eine Abschätzung der physikalischen Kanaleigenschaften eines Übertragungskanals auch möglich, den vom Empfänger empfangenen Datenstrom einer Fast Fourier-Transformation (FFT) zu unterziehen, um anschließend aus der daraus gewonnenen Datensequenz mit Hilfe eines Fitting-Verfahrens die physikalischen Kanaleigenschaften des Übertragungskanals zu berechnen. Eine Fast Fourier-Transformation besitzt jedoch keine lineare Ordnung, sondern bei Vorliegen einer Abtastfolge von n Werten die Ordnung O(n 1n(n)). Zur Berechnung der Wertefolge im Frequenzbereich sind daher k × n × 1n(n) elementare Rechenoperationen notwendig, wobei im Anschluss an die Fast Fourier-Transformation auch noch das Fitting-Verfahren durchgeführt werden muss, was eine aufwändige Matrixinversion bzw. eine zeitaufwändige iterative Methode erfordert. Schon bereits aufgrund der nichtlinearen Ordnung ist ein derartiges auf einer Fast Fourier-Transformation basierendes Verfahren nicht in der Lage, bei der höchst möglichen Abtastrate die Signalverarbeitung ohne Parallelisierungsmaßnahmen in Echtzeit durchzuführen. Darüber hinaus ist die Systemkomplexität bzw. der Fechenaufwand äußerst hoch.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine entsprechend ausgestaltete Vorrichtung zur Schätzung bzw. Bestimmung von physikalischen Kanaleigenschaften eines elektrischen Übertragungskanals bereitzustellen, womit die physikalischen Kanaleigenschaften mit einer höheren Genauigkeit als bei bisher bekannten Verfahren bestimmt werden können, wobei die Erfindung darüber hinaus einfach zu realisieren und mit geringem Aufwand zu implementieren sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Schätzung von Kanaleigenschaften eines Übertragungskanals mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. eine Vorrichtung zur Schätzung von Kanaleigenschaften eines Übertragungskanals mit den Merkmalen des Anspruches 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Die vorliegende Erfindung schlägt zur Abschätzung der physikalischen Kanaleigenschaften eines elektrischen Übertragungskanals vor, ein über den Übertragungskanal empfangenes Signal abzutasten und aus den daraus resultierenden Abtastwerten Momente des empfangenen Signals zu ermitteln, aus welchen wiederum Parameter einer die Kanaleigenschaften repräsentierenden Übertragungsfunktion des Übertragungskanals bestimmt werden.

Dabei kann es sich bei dem empfangenen Signal insbesondere um eine Systemantwort, beispielsweise die Impulsantwort oder Sprungantwort des entsprechenden Senders, handeln. Ebenso ist möglich, dass es sich bei dem ausgewerteten und empfangenen Signal um eine beliebige lineare Kombination der Impuls- oder Sprungantwort handelt. Das hierin vorgestellte Verfahren ist grundsätzlich auch auf die Rampenantwort oder eine sonstige durch Integration oder Differentiation aus der Impulsantwort gewonnene Systemantwort erweiterbar.

Besonders vorteilhaft und einfach zu realisieren ist die Bestimmung der zuvor beschriebenen Parameter der als eine gebrochen rationale Funktion darstellbaren Übertragungsfunktion des jeweiligen elektrischen Übertragungskanals, wobei es sich bei den aus den zuvor ermittelten Momenten bestimmten Parametern um Polynomkoeffizienten einer Summendarstellung der Übertragungsfunktion handeln kann, welche in Nullstellen einer Produktdarstellung der Übertragungsfunktion oder auch Koeffizienten einer Residuendarstellung der Übertragungsfunktion umgerechnet werden können. Dabei werden aus den gewonnenen Abtastwerten des abgetasteten empfangenen Signals insbesondere die ersten n Momente des empfangenen Signals zur Bestimmung von n Parametern der Übertragungsfunktion ermittelt. Insbesondere können aus den n Momenten des empfangenen Signals die n Parameter der gebrochen rationalen Übertragungsfunktion vom Grad n/2 des Übertragungskanals bestimmt werden, wobei die Bestimmung der Parameter aus den zuvor ermittelten Momenten vorzugsweise durch Verwendung einer Look-Up-Tabelle realisiert wird. Alternativ kann ein entsprechendes lineares Gleichungssystem gelöst werden.

Vor Ermittlung der Momente des empfangenen Signals werden die durch die Abtastung des empfangenen Signals gewonnenen Abtastwerte vorzugsweise quantisiert und somit in eine binäre Zahlendarstellung umgesetzt, wobei zur Ermittlung der Momente die einzelnen Abtastwerte mit unterschiedlichen Zeitwerten multipliziert werden, welche ebenfalls in Form einer binären Zahlendarstellung vorliegen. Insgesamt kann die Momentenermittlung in Form einer digitalen Multiplikation mit anschließender Summation vollständig digital realisiert werden, wobei die einzelnen Momente vollständig parallel auf Basis der gleichen Abtastwerte und mit dem gleichen Takt ermittelt werden können.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Abschätzung der Kanaleigenschaften des Übertragungskanals in einem Übertragungssystem auf der Seite eines mit einem entsprechenden Sender kommunizierenden Empfängers vor Beginn der eigentlichen Datenübertragung während einer Lernphase durchgeführt, wobei die Kanalschätzung während dieser Lernphase mehrfach durchlaufen werden kann, um mit jedem Durchlauf einen neuen Parametersatz für die Übertragungsfunktion zu bestimmen, so dass anschließend aus den verschiedenen Parametersätzen ein mittlerer Parametersatz ermittelt werden kann, welcher die end gültigen Schätzwerte der Übertragungsfunktion bzw. des Übertragungskanals bildet. Auf Basis dieses mittleren Parametersatzes kann dann anschließend nach entsprechender Programmierung eines Entzerrers zur Kompensation die reguläre Datenübertragung durchgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung eignet sich bevorzugt zur Abschätzung der Kanaleigenschaften eines drahtgebundenen Übertragungskanals für Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen von Kommunikationseinrichtungen, wie beispielsweise eines Hubs, wobei jedoch die Erfindung selbstverständlich nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich beschränkt ist, sondern allgemein auch zur Abschätzung der Kanaleigenschaften eines drahtlosen Übertragungskanals eingesetzt werden kann.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ist die Bestimmung bzw. Abschätzung der physikalischen Kanaleigenschaften bzw. Kanalparameter eines elektrischen Übertragungskanals mit hoher Genauigkeit möglich, wobei darüber hinaus die Erfindung sich einfach realisieren und mit geringem Aufwand implementieren lässt. Darüber hinaus ermöglicht es die Erfindung erstmals, aus einer Impuls- oder Sprungantwort eines linearen Übertragungssystems die Systemparameter in geschlossener Form zu extrahieren, wobei die Erfindung auf einem signaltheoretischen Ansatz beruht, welcher sich sehr vorteilhaft auf mikroelektronische Systeme abbilden lässt.

Lässt sich das Übertragungssystem bzw. der entsprechende Übertragungskanal durch eine gebrochen rationale Funktion beschreiben, was z.B. für alle RLCGÜ-Systeme der Fall ist, können aus der Sprung- oder Impulsantwort des Übertragungssystems die Systemparameter, d.h. die Parameter der Übertragungsfunktion, welche die physikalischen Kanaleigenschaften, wie insbesondere die Dämpfungs- und Dispersionscharakteristik, des Übertragungskanals repräsentiert, gewonnen werden. Lässt sich das entsprechende Übertragungssystem nicht durch eine gebrochen rationale Funktion beschreiben, wie dies bei spielsweise für eine Leitung der Fall ist, so kann das Übertragungssystem durch eine gebrochen rationale Funktion beliebig genau approximiert werden. In jedem Fall ist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren von linearer Ordnung O(n), und liegt die Impuls- oder Sprungantwort als Abtastfolge von n Werten vor, werden lediglich k × n elementare Rechenoperationen zur Berechnung der Parameter der Übertragungsfunktion benötigt.

Die vorliegende Erfindung beruht somit auf einer signaltheoretischen Grundlage, welche prinzipiell eine beliebig genaue Schätzung der Parameter des Übertragungskanals ermöglicht. Abweichungen von den exakten Werten ergeben sich ausschließlich durch die Grenzen einer praktischen Realisierung, nämlich durch die Genauigkeit der internen Zahlendarstellung und der Signalabtastrate, was als implementierungsabhängiges Quantisierungsrauschen betrachtet werden kann. Aufgrund der Tatsache, dass das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren von linearer Ordnung ist, ermöglicht die Erfindung bei der höchstmöglichen Abtastrate eine digitale-Signalverarbeitung in Echtzeit, ohne dass eine Parallelisierung notwendig wäre. Je höher die Abtastrate gewählt werden kann, desto höher ist die zeitliche Auflösung und desto höher ist die Genauigkeit der gewonnenen Parameter. Da nur sehr einfache Rechenoperationen durchgeführt werden müssen, ist die Implementierung der vorliegenden Erfindung mit einer äußerst einfachen Architektur möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben.
1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Schätzung von physikalischen Kanaleigenschaften eines elektrischen Übertragungskanals gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild einer in 1 dargestellten Momentenermittlungseinrichtung, und
3 zeigt ein Beispiel einer gebrochen rationalen Übertragungsfunktion, deren Polynomkoeffizienten mit Hilfe von ebenfalls in 3 dargestellten Matrizengleichungen erfindungsgemäß bestimmt werden können.
In 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Schätzung von physikalischen Kanaleigenschaften eines elektrischen Übertragungskanals eines drahtlosen oder drahtgebundenen Übertragungssystems dargestellt, wobei die in 1 dargestellte Vorrichtung insbesondere auf der Seite eines Empfängers, welcher mit einem entsprechenden Sender des Übertragungssystems kommuniziert, realisiert sein kann. Die in 1 dargestellte Vorrichtung umfasst eine Steuereinheit 5, welche einerseits den Ablauf der Kanalschätzung steuert und andererseits über Steuersignale ctr mit dem entsprechenden Sender kommuniziert. Die prinzipielle Arbeitsweise der Steuereinheit 5 bzw. der in 1 dargestellten Vorrichtung zur Kanalschätzung ist dabei wie folgt:
Vor Beginn der eigentlichen Datenübertragung beginnt eine Lernphase, in welcher die Kanaleigenschaften des Übertragungskanals bestimmt bzw. abgeschätzt werden. Zur Durchführung dieser Lernphase schaltet der Empfänger in einen Lernmodus und sendet ein Start-Lernmodus-Signal an den Sender.
Der Sender schickt daraufhin einen 0-1-Sprung an den Empfänger, und der Empfänger tastet mit Hilfe einer Abtasteinrichtung 1 die Sprungantwort so lange ab, bis diese ihren stationären Wert angenommen hat. Die Abtastwerte der Abtasteinrichtung 1 werden von einer Quantisierungseinrichtung 2 quantisiert und somit in quantisierte Binärwerte umgesetzt, wobei der stationäre Endwert der Sprungantwort somit in Form eines quantisierten Binärwerts gespeichert wird.
Anschließend sendet der Empfänger an den Sender ein weiteres Start-Lernmodus-Signal, so dass der Sender daraufhin eine 0-Folge an den Empfänger sendet, woraufhin der Empfänger wiederum mit Hilfe der Abtasteinrichtung 1 die entsprechende Sprungantwort solange abtastet, bis diese ihren stationären Endwert angenommen hat.
Anschließend wird von dem Empfänger bzw. von der Steuereinheit 5 ein weiteres Start-Lernmodus-Signal an den Sender gesendet, woraufhin der Sender einen 0-1-Sprung an den Empfänger sendet, welcher als Grundlage für die Schätzung der Kanaleigenschaften des entsprechenden Übertragungskanals dienen soll. Der Empfänger beginnt nach einer voreingestellten Verzögerung, welche der geschätzten doppelten Verzögerungszeit des Übertragungskanals entspricht, die Sprungantwort des empfangenen Signals f(t) mit Hilfe der Abtasteinrichtung 1 abzutasten, woraufhin Abtastwerte f(t_k) erhalten werden, wobei t_k die Abtastzeitpunkte der Abtasteinrichtung 1 bezeichnen. Die Abtastwerte der Abtasteinrichtung 1 werden wiederum der Quantisierungseinrichtung 2, welche einen A/D-Wandler umfassen kann, zugeführt, um die Abtastwerte somit zu quantisieren und in eine binäre Zahlendarstellung f_d(t_k) umzusetzen.
Der auf diese Weise erhaltene digitalisierte Datenstrom f_d(t_k) wird einer Einrichtung zur Bestimmung von Momenten des Empfangssignals bzw. der empfangenen Sprungantwort f(t) zugeführt, wobei zur Bestimmung der n+1 ersten Momente der digitalisierte Datenstrom auf n+1 parallel betriebene Verarbeitungseinheiten, welche nachfolgend noch näher erläutert werden, verteilt wird, wobei die Verarbeitungseinheiten aus dem ihnen zugeführten digitalisierten Datenstrom f_d(t_k) die n+1 ersten Momente m₀...m_n der empfangenen Sprungantwort f(t) berechnen.
Wie aus 1 ersichtlich ist, werden die Momente der Momentenermittlungseinrichtung 3 einer Konvertierungs- bzw. Parameterbestimmungseinrichtung 4 zugeführt, welche die Momente m₀...m_n in n+1 Parameter einer gebrochen rationalen Funktion, insbesondere in Polynomkoeffizienten einer gebrochen rationalen Funktion vom Grad n/2, umrechnet. Die Parameterbestimmungseinrichtung 4 kann im einfachsten Fall durch eine Look-Up-Tabelle realisiert sein. Die von der Parameterbestimmungseinrichtung 4 erzeugten Parametern P₀...P_n bestimmen die Übertragungsfunktion des Übertragungskanals, so dass im Prinzip von der Parameterbestimmungseinrichtung 4 als Ausgabe die Übertragungsfunktion des Übertragungskanals, welche die physikalischen Eigenschaften des Übertragungskanals repräsentiert, erhalten wird, mit deren Hilfe die physikalischen Eigenschaften, wie insbesondere die Dämpfungs- und Dispersionseigenschaften, des Übertragungskanals abgeschätzt bzw. bestimmt werden können.
Sobald die von dem Empfänger erhaltene Sprungantwort f(t) ihren stationären Wert erreicht hat, ändern sich die Momente m₀...m_n nicht mehr. Anschließend kann die zuvor beschriebene Lernphase wiederholt mehrfach durchlaufen werden, um nach jedem Durchlauf einen neuen Satz von Parametern P₀...P_n zu berechnen, so dass anschließend aus allen Parametersätzen ein mittlerer Parametersatz gebildet. werden kann, welcher die endgültigen Schätzwerte des Übertragungskanals, d.h. die endgültigen Parameterwerte für die Übertragungsfunktion des Übertragungskanals, bildet. Nach Abschluss des zuvor beschriebenen Lernbetriebs kann der Empfänger an den Sender ein Beende-Lernmodus-Signal senden, so dass anschließend die reguläre Datenübertragung gegebenenfalls mit Kompensation der durch den Übertragungskanal verursachten Dämpfungs- und Dispersionseffekte auf Basis der zuvor abgeschätzten physikalischen Kanaleigenschaften, d.h. auf Basis der ermittelten Übertragungsfunktion, des Übertragungskanals erfolgen kann.
Nachdem zuvor grundsätzlich die Funktionsweise der in 1 dargestellten Vorrichtung zur Abschätzung der physikalischen Kanaleigenschaften des Übertragungskanals erläutert wurde, soll nachfolgend näher auf die Ermittlung der einzelnen Mo mente durch die Momentenermittlungseinrichtung 3 sowie die Bestimmung der einzelnen Parameter der Übertragungsfunktion durch die Parameterbestimmungseinrichtung 4 eingegangen werden. Dabei wird nachfolgend davon ausgegangen, dass zur Ermittlung der Momente bzw. zur Bestimmung der Parameter der Übertragungsfunktion zu einem Zeitpunkt t=0 mit der Auswertung des über den Übertragungskanal empfangenen Signals f(t) begonnen wird.
Wie beschrieben, wird dieses analoge Signal f(t) von der Abtasteinrichtung 1 in periodischen Abständen Δt abgetastet, wobei die Abtastrate durch einen in 1 dargestellten Takt clk bestimmt ist, wobei auch eine asynchrone Abtastung mit variablem Δt möglich ist. Die aus dem abgetasteten Signal f(t) gewonnene diskrete Folge von Abtastwerten bzw. Impulsen f(t_k) wird, wie ebenfalls bereits beschrieben worden ist, der Quantisierungseinrichtung 2 zur Durchführung einer Diskretisierung und Quantisierung zugeführt, wobei die Quantisierungseinrichtung 2 ebenfalls mit dem Takt clk betrieben wird. Die Quantisierungseinrichtung 2 gibt somit die diskrete binäre Signalfolge f_d(t_k) aus, welche die einzelnen Amplitudenwerte der Abtastwerte als Binärzahlen repräsentiert.
Auf Basis der zuvor beschriebenen diskreten binären Signalfolge f_d(t_k) erfolgt die Berechnung der Momente m₀...m_n. Dabei ist ein Moment i-ter Ordnung (i=0...n) allgemein durch folgende mathematische Beziehung definiert:
In einem digitalen signalverarbeiteten System stellt die Funktion f(t) in der Formel (1) wie beschrieben das empfangene elektrische Signal dar, dessen Amplitudenwerte als diskrete binäre Signalfolge vorliegen, wobei in der Formel (1) der Parameter t der Zeit entspricht, während der Parameter i die Ordnung des Moments angibt. Somit geht das Integral gemäß der Formel (1) in eine Summe über, und das Moment i-ter Ordnung des empfangenen Signals f(t) kann wie folgt berechnet werden:
Dabei bezeichnet Δt das Abtastintervall der Abtasteinrichtung 1, und t_k bezeichnet die Abtastzeitpunkte. Der Vollständigkeit halber sei auch darauf hingewiesen, dass i! die so genannte Fakultät von i mit i!=1 × 2 × 3 × ... × i bezeichnet, und dass die Formel (2) in einer realen Schaltung tatsächlich nur mit einer endlichen Anzahl von N Abtastwerten berechnet wird.
Aus Formel (2) ist ersichtlich, dass jedes Moment im Prinzip durch Multiplikations- und Summationsvorgänge bestimmt werden kann. Demzufolge kann die in 1 dargestellte Momentenermittlungseinrichtung 3 für jedes Moment aus Verarbeitungseinheiten bzw. Momentenbildern 6 aufgebaut werden, wie sie in 2 dargestellt sind.
Aus 2 ist ersichtlich, dass jede Verarbeitungseinheit 6 die diskrete binäre Signalfolge f_d(t_k) der Quantisierungseinrichtung 2 erhält. Darüber hinaus ist jeder Verarbeitungseinheit 6 das gemeinsame Taktsignal clk zugeführt. Jede Verarbeitungseinheit 6 weist eine Zeitbasis 7 auf, welche abhängig von dem Taktsignal clk zur Berechnung des jeweiligen Moments m_i den Zeitwert
erzeugt und als Binärzahl einem digitalen Multiplizierer 8 zuführt, wo der entsprechende Zeitwert mit der diskreten binären Signalfolge f_d(t_k) multipliziert wird. Das Ergebnis dieser Multiplikation liegt ebenfalls in Binärdarstellung vor, wobei die Ergebnisse der einzelnen Multiplikationen von einem Summierglied 9 aufaddiert werden. Der hierbei jeweils gewonnene Summenwert wird einem weiteren digitalen Multiplizierer 10 zugeführt und mit dem Wert (Δt/i!) multipliziert, so dass von dem Multiplizierer 10 in Übereinstimmung mit Formel (2) das gewünschte Moment m_i ausgegeben wird.
In 2 ist lediglich beispielhaft die Erzeugung der Momente m₀, m₁ und m₂ dargestellt. Selbstverständlich ist auch grundsätzlich denkbar, eine größere (oder auch kleinere) Anzahl von Momenten in der Momentenermittlungseinrichtung 3 aus der diskreten binären Signalfolge f_d(t_k) zu ermitteln. Darüber hinaus wurde bei den einzelnen Verarbeitungseinheiten 6 gemäß 2 in Übereinstimmung mit Formel (2) die Integralbeziehung gemäß Formel (1) in eine diskrete Summation übergeführt, wobei anstelle einer einfachen Summation auch eine numerische Integration mit höherer Genauigkeit, beispielsweise in Übereinstimmung mit der Trapezregel nach Simpson etc., zur Anwendung kommen kann.
Zur Beschreibung des Übertragungskanals mit n+1 Parametern müssen die ersten n+1 Momente m₀, m₁,..., m_n des Empfangssignals f (t) bestimmt werden (n=0, 1, 2, 3...) .
Aus 2 ist ersichtlich, dass die von der Quantisierungseinrichtung 2 erzeugte diskrete binäre Signalfolge f_d(t_k) sowie das Taktsignal clk allen Verarbeitungseinheiten 6 parallel zugeführt werden, so dass die Verarbeitungseinheiten 6 vollständig parallel die einzelnen Momente bestimmen können. Die Verarbeitungseinheiten 6 besitzen grundsätzlich eine identische Struktur, erzeugen jedoch mit ihren Zeitbasen 7 unterschiedliche Potenzen der Abtastzeitpunkte t_k. Auch den digitalen Multiplizierern 10 am Ausgang der einzelnen Summierglieder 9 werden abhängig von der Bestimmung des jeweils gewünschten Moments unterschiedliche Multiplikationswerte zugeführt.
Aus den wie zuvor beschrieben ermittelten Momenten m₀, m₁...m_n können n+1 Parameter des Übertragungskanals bestimmt werden, wobei der Übertragungskanal wie beschrieben näherungsweise oder exakt durch eine gebrochen rationale Funktion, wie in 3 oben gezeigt, dargestellt werden kann, wobei H(p) die Übertragungsfunktion des Übertragungskanals und a_i und b_i (i=0...n) die Polynomkoeffizienten der Übertragungsfunktion bezeichnen.
Der Zusammenhang zwischen den Momenten und den Polynomkoeffizienten ist durch die ebenfalls in 3 dargestellten Matrizenbeziehungen gegeben, wobei zwischen den Momenten m_i und den geschlängelten Werten in den Matrizen die in 3 unten dargestellte Beziehung gilt.
Für eine konkrete Realisierung werden weniger die Matrizengleichungen von 3 verwendet, sondern vielmehr deren Lösung. Da es sich hier lediglich um Linearkombinationen der ermittelten Momente handelt, kann die Umrechnung beispielsweise in Form einer Look-Up-Tabelle implementiert werden, so dass im Prinzip die in 1 gezeigte Parameterbestimmungseinrichtung 4 durch einfache Speicherzugriffe die Polynomkoeffizienten der Übertragungsfunktion des Übertragungskanals aus den ermittelten Momenten bestimmen kann.
Mit der auf diese Weise bestimmten Übertragungsfunktion können die physikalischen Kanaleigenschaften, wie insbesondere die Dispersions- und Dämpfungseigenschaften exakt oder zumindest näherungsweise beschrieben werden.

Claims

Verfahren zur Schätzung von Kanaleigenschaften eines Übertragungskanals, umfassend die Schritte a) Abtasten eines über den Übertragungskanal empfangenen Signals (f), um entsprechende Abtastwerte (f_d) zu erhalten, b) Ermitteln mehrerer Momente (m) des empfangenen Signals (f) aus den im Schritt a) erhaltenen Abtastwerten (f_d), c) Bestimmen von Parametern (P, a, b) einer Übertragungsfunktion des Übertragungskanals aus den im Schritt b) ermittelten Momenten (m), und d) Ermitteln der Kanaleigenschaften des Übertragungskanals mit Hilfe der im Schritt c) bestimmten Übertragungsfunktion.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Schritt a) abgetastete empfangene Signal (f) eine Systemantwort eines Übertragungssystems ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemantwort eine Impulsantwort oder eine Sprungantwort des Übertragungssystems ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Schritt a) abgetastete empfangene Signal (f) einer Kombination von verschiedenen Systemantworten eines Übertragungssystems ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Schritt c) bestimmten Parameter der Übertragungsfunktion ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Polynomkoeffizienten, Nullstellen und Koeffizienten einer Residuendarstellung der Übertragungsfunktion.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von n+1 Parametern der Übertragungsfunktion im Schritt b) die Momente der Ordnung 0,1...n des empfangenen Signals (f) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) aus den Momenten (m) die Parameter (P, a, b) einer gebrochen rationalen Funktion als die Übertragungsfunktion des Übertragungskanals bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion eine gebrochen rationale Funktion vom Grad n/2 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion H(p) des Übertragungskanals die Form hat
dass die Koeffizienten a_i und b_i aus den im Schritt b) ermittelten Momenten m_i mit i=0,1...n gemäß den folgenden Gleichungen im Schritt c) bestimmt werden:
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) die Parameter (P, a, b) der Übertragungsfunktion des Übertragungskanals aus den Momenten (m) unter Verwendung einer Lock-Up-Tabelle bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Schritt a) erhaltenen Abtastwerte des empfangenen Signals zur Ermittlung der Momente (m) quantisiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) Momente der Ordnung 0...n aus den Abtastwerten (f_d) des empfangenen Signals (f) gemäß der folgenden Beziehung ermittelt werden:
wobei m_i das Moment der Ordnung i, t_k einen Abtastzeitpunkt, Δt ein Abtastintervall und N eine Anzahl von Abtastwerten (f_d) bezeichnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a)-c) mehrfach durchlaufen werden, wobei die bei jedem Durchlauf c) bestimmten Parameter (P, a, b) gemittelt werden, um auf Grundlage der gemittelten Parameter die Übertragungsfunktion zur Ermittlung der Kanaleigenschaften des Übertragungskanals im Schritt d) zu bestimmen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Schätzung von Kanaleigenschaften eines drahtgebundenen Übertragungskanals in einer Kommunikationseinrichtung angewendet wird.
Vorrichtung zur Schätzung von Kanaleigenschaften eines Übertragungskanals, mit einer Abtasteinrichtung (1) zum Abtasten eines über den Übertragungskanal empfangenen Signals (f), um entsprechende Abtastwerte (f_d) zu erhalten, mit einer Momentenermittlungseinrichtung (3) zum Ermitteln mehrerer Momente (m) des empfangenen Signals (f) aus den Abtastwerten (f_d) der Abtasteinrichtung (1), und mit einer Parameterbestimmungseinrichtung (4) zur Bestimmung von Parametern (P, a, b) einer Übertragungsfunktion des Übertragungskanals aus den von der Momentenermittlungseinrichtung (3) ermittelten Momenten (m) zum Ermitteln der Kanaleigenschaften des Übertragungskanals auf Grundlage der somit bestimmten Übertragungsfunktion.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abtasteinrichtung (1) und der Momentenermittlungseinrichtung (3) eine Quantisierungseinrichtung (2) zum Quantisieren der Abtastwerte der Abtasteinrichtung (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentenermittlungseinrichtung (3) zur Ermittlung der Momente (m) mehrere Verarbeitungseinheiten (6) umfasst, wobei jede Verarbeitungseinheit (6) zur Ermittlung eines der Momente vorgesehen und ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentenermittlungseinrichtung (3) zur Ermittlung der Momente m₀, m₁...m_n ausgestaltet ist, wobei m_i mit i=0...n das Moment der Ordnung i des empfangenen Signals (f) bezeichnet, und dass die Verarbeitungseinheit (h) zur Ermittlung des Moments m_i eine Zeitbasis (7) zur Erzeugung eines Zeitwerts t i / k, einen Multiplizierer (8) zur Multiplikation des Zeitwerts t i / k mit den in digitaler Form vorliegenden Abtastwerten (f_d) der Abtasteinrichtung (1), ein Summierglied (9) zum Aufsummieren eines Ausgangssignals des Multiplizierers (8) und einen weiteren Multiplizierer (10) zum Multiplizieren eines Ausgangssignals des Summierglieds (9) mit dem Wert (Δt/i!) umfasst, wobei t_k einen Abtastzeitpunkt und Δt ein Abtastintervall bezeichnet.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass allen Verarbeitungseinheiten (6) der Momentenermittlungseinrichtung (3) parallel die Abtastwerte (f_d) der Abtasteinrichtung (1) in digitaler Form zugeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17–19, dadurch gekennzeichnet, dass allen Verarbeitungseinheiten (6) der Momentenermittlungseinrichtung (3) ein gemeinsames Taktsignal (clk) zugeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15–20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–14 ausgestaltet ist.