DE19702869C2 - Adaptive Entzerrung für ein Funktelefonsystem mit Frequenzspringen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur adaptiven Entzerrung von blockweise empfangenen Datenbits.

Zwischen den Teilnehmern eines Funktelefonsystems können di­ gitale Daten ausgetauscht werden. Das Funktelefonsystem kann auch gemäß dem GSM-Standard (Funkübertragungssystem gemäß den Empfehlungen des CEPT-Unterausschusses Group Special Mobile oder Global System for Mobile Communication, GSM) oder gemäß dem DECT-Standard (Digital European Cordless Telecommunicati­ on, DECT) ausgebildet sein.

Die ausgetauschten digitalen Daten können digitalisierte Sprachsignale, Daten zur Fax-Kommunikation oder ganz allge­ mein Daten für stationäre oder mobile Datenverarbeitungs­ systeme, wie Personal Computer oder Notebooks, sein.

Bei dem GSM-Mobilfunksystem wird das Vielfachzugriffsverfah­ ren TDMA (Time Division Multiple Access) benutzt, wobei die Mobilfunkteilnehmer durch unterschiedliche Zeitschlitze eines Zeitmultiplexsystems unterschieden werden. Das GSM-Mobil­ funksystem ist für den 900 MHz-Bereich (GSM 900) und für den 1800 MHz-Bereich (DCS 1800) standardisiert. Im GSM 900 senden die Mobilfunkgeräte und empfangen die Basisstationen in einem Frequenzband von 890 bis 915 MHz. In dem Frequenzband von 935 bis 960 MHz senden die Basisstationen und empfangen die Mo­ bilfunkgeräte. Bei DCS 1800 werden die Frequenzbänder von 1710 bis 1785 MHz und von 1805 bis 1880 MHz benutzt.

Zur Verbesserung der Datenübertragung im GSM-Mobilfunksystem werden die Verschachtelung der Information und das Niederfre­ quenzspringen verwendet. Mit dem Ausdruck "Niderfrequenzspringen" wird ein Frequenzspringen in einem vergleichs­ weise engen Frequenzbereich bezeichnet. Beim Frequenzspringen wird die ko­ dierte Information in sequentiellen Datenblöcken auf einer Vielzahl von Funkkanälen übertragen.

Für die Zuweisung der Frequenzwerte für die Sprungfrequenzen gibt es im allgemeinen zwei Sprungfrequenz- Zuweisungsstrategien. Beim sogenannten zufälligen Springen hat jeder Teilnehmer im Mobilfunksystem seine eigene Fregenz­ sequenz, nach der in einer vorgegebenen Reihenfolge die Fre­ quenzwerte gewechselt werden. Beim sogenannten orthogonalen Springen, welches im GSM-Mobilfunksystem verwendet wird, wer­ den die Frequenzsequenzen für die von einer gegebenen Zelle bedienten mobilen Station deterministisch ausgewählt.

Beim Frequenzspringen werden die Datenblöcke mit einer jewei­ ligen Zeitdauer von ca 5 µs nacheinander auf einer anderen Frequenz übertragen. Das heißt, nach jeweils 5 µs wird von der Sende- und der Empfangsstation ein anderer Frequenzwert gewählt. Da sich im GSM-Mobilfunksystem die Frequenzwerte der aufeinanderfolgenden Signalblöcke nur wenig unterscheiden sind die Empfangsbedingungen für jeden Block zumindest annä­ hernd gleich.

Beim militärischen Funktelefonsystem SCRA (Single Channel Ra­ dio Access) wird zur Datenübertragung ebenfalls ein Frequenz­ sprungverfahren eingesetzt. Dabei wird eine bestimmte Anzahl der zu übertragenden Informationen, das heißt ein Datenblock, auf einer Frequenz übertragen. Nach jedem übertragenen Block wird auf eine andere Frequenz gewechselt. Der genutzte Fre­ quenzbereich umfaßt dabei den oberen VHF- und den unteren UHF-Bereich von ca. 170 bis über 300 MHz. Auf Grund dieses vergleichsweise großen Frequenzbereiches, aus dem die Fre­ quenzwerte für das Frequenzspringen ausgewählt werden, sind die Empfangsbedingungen für jeden Block anders. Während des Empfangs eines Blockes kann davon ausgegangen werden, daß die Empfangsbedingungen annähernd konstant bleiben.

Die sich ändernden Empfangsbedingungen führen zu Fehlern in den empfangenen Daten. Hauptursache dafür sind Verzerrungen, die durch Überlagerung einzelner Signalkomponenten über Mehr­ wegeausbreitungen entstehen. Die Mehrwegeausbreitungen führen ebenfalls zum frequenzselektiven Schwund (Raleigh Fading). Bei grundsätzlich kleinen Empfangsfeldstärken tritt zunehmend Rauschen als Fehlerursache auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur adaptiven Entzerrung der in einem Funktelefonsystem empfange­ nen Daten anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentan­ spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sowohl das Rauschen unterdrückt als auch der verzerrten Datenstrom entzerrt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Optimierung zwischen Rauschunterdrückung und verbleibender Verzerrungen der Daten. Das erfindungsgemäße Verfahren paßt sich automatisch an die im Funktelefonbetrieb stark wechselnden Empfangsbedingungen an. Hierdurch können noch stark gestörte Empfangsdaten opti­ mal rekonstruiert werden, was eine Reduzierung der Restfeh­ lerrate bewirkt.

Die automatische Anpassung an die Empfangseigenschaften eines einzelnen Datenblocks bewirkt durch eine Optimierung der Re­ generation der Daten eine Reduzierung der Fehler in den emp­ fangenen Daten.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Meßwert für die Empfangsqualität bestimmt. Dieser ermöglicht eine verbes­ serte Datenregeneration im Funktelefonsystem und ermöglicht ferner die Bestimmung der Übertragungsqualität einer Verbin­ dung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist allgemein für blockweise, drahtlos oder auch drahtgebunden empfangene Daten anwendbar.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles beschrieben.

Jeder Datenblock, der unter Verwendung des Fequenzsprungver­ fahrens übertragen wurde, weist beispielsweise 240 Bits auf, wovon ca. 180 Nutzbits die eigentliche Information darstel­ len. Der Empfang der drahtlos im Funktelefonsystem übertrage­ nen Datensignale und die Rückgewinnung der Daten sind für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung und wird im folgen­ den nicht näher beschrieben.

Die empfangenen Datenbits werden zur Ausführung der Erfindung mehrfach, beispielsweise achtfach überabgetastet, das heißt für jedes gesendete beziehungsweise empfangene Bit werden empfangsseitig acht Abtastwerte s_n aufgenommen. Die Ab­ tastwerte s_n haben die binären Werte 0 oder 1. Für ein ideal übertragenes Datenbit sind alle acht Abtastwerte s_n gleich, und haben den gleichen Wert wie das gesendete Bit.

Bei auftretendem Rauschen haben einzelne der Abtastwerte s_n einen anderen binären Wert als das gesendete Bit. Die in ih­ ren Werten verfälschten Bits treten statistisch verteilt auf.

Bei Verzerrungen werden die Abtastwerte s_n in der Nähe der Übergangsstellen der Datenbits von einem binären Wert zum an­ deren von diesem Flankenwechsel im Datenstrom beeinflußt, das heißt die Augenöffnung wird geringer. Bei Verzerrungen treten daher die verfälschten Abtastwerte vorzugsweise in der Nähe dieser Flankenwechsel auf.

Für eine optimale Datenregeneration sollten nur die Ab­ tastwerte s_n zur Rekonstruktion eines Datenbits verwendet werden, welche nicht von den vorherigen und nachfolgenden Da­ ten beeinflußt worden sind.

Für eine optimale Rauschunterdrückung sollen möglichst viele Abtastwerte s_n zur Rekonstruktion des Datenbits beitragen. Ein einzelner gestörter Abtastwert s_n stört das Ergebnis der Rekonstruktion dann nicht.

Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde. Durch eine statistische Auswertung aller aufgezeichneten Abtastwer­ te s_n eines Blockes werden Störungen möglichst vollständig unterdrückt. Zur adaptiven Entzerrung wird erfindungsgemäß pro Block die optimale Anzahl und Gewichtung der Abtastwerte s_n ermittelt um den Wert eines empfangenen Datenbits zu be­ stimmen. Hierzu werden folgende Verfahrensschritte angewen­ det.

Die Übergänge von einem Binärwert zum anderen, das heißt die Flankenwechsel oder die Schrittumschaltungen, werden im emp­ fangenen Datenstrom ermittelt. Die jeweils aufeinanderfolgen­ den Abtastwerte s_n-1 und s_n werden hierzu in einem Empfangsbe­ reich mit I Abtastwerten s_n miteinander verglichen, bei­ spielsweise durch eine Exklusiv-Oder-Verknüpfung. Die Ver­ knüpfungen v_i werden wie folgt bestimmt:

v_i = s_i-1 xor s_i für 0 ≦ i < I

Der ausgewertete Empfangsbereich wird beispielsweise so breit gewählt, daß alle Empfangsdatenbits immer vorliegen. Der Emp­ fangsbereich enthält beispielsweise einen ganzen Datenblock mit 200 Bits.

In einem weiteren Schritt soll die Phasenlage der Abtastwerte s_n zu den Empfangsdaten ermittelt werden. Einem einzigen Da­ tenbit auf der Sendeseite können bei der gewählten Acht­ fachabtastung acht Abtastwerte s_n auf der Empfangsseite zuge­ ordnet werden. Die Verknüpfungen v_n werden zu acht Summen S_n aufsummiert, wobei jeweils mit dem nachfolgenden Abtastwert s_n begonnen und jede achte Verknüpfung v_n aufsummiert wird.

Anhand der Werte der Summen S_n kann auf die Phasenlage der Abtastwerte s_n zu den Empfangsdaten, auf den Grad der Verzer­ rung, sowie auf ein Maß für das Rauschen geschlossen werden.

Bei idealen Empfangsdaten ist der Wert der Summe S_n für genau einen Wert von n von Null verschieden. Da für jedes gesendete Bit in diesem Fall acht gleiche Abtastwerte s_n aufgenommen werden, sind nur die Werte der Verknüpfungen v_n an den Bit­ kanten, das heißt an den Flankenwechseln im Datenstrom, von dem Wert Null verschieden. Alle anderen Verknüpfungen v_n er­ geben den Wert Null. Die vom Wert Null verschiedenen Verknüp­ fungen v_n haben als Abstand immer ein Vielfaches von acht. Der Abstand ist im Einzelfall davon abhängig, ob das Datenbit seinen binären Wert wechselt oder nicht. Dadurch werden die vom Wert Null verschiedenen Verknüpfungen v_n immer zu einem Summenwert S_n auf summiert. Die Summenbildung dient sozusagen zur Auswertung der Gesamtstatistik der Datenbits in jedem der Datenblöcke.

Bei Rauschen, das heißt bei verrauschten Datenbits, werden näherungsweise in allen Summen S_n vom Wert Null verschiedene Verknüpfungen v_n aufsummiert. Diese verteilen sich aber annä­ hernd gleichmäßig auf alle Summen S_n.

Bei Verzerrungen im Datenstrom ist nicht ein einzelner Wert der Summen S_n von Null verschieden, sondern mehrere aufeinan­ derfolgende Werte. Dies ist bedingt durch eine Verkleinerung des Auges im Augendiagramm.

Zum Auswerten der Verteilung der aus den Verknüpfungen v_n ge­ bildeten Summen S_n werden diese Summen S_n zunächst geglättet. Hierzu werden beispielsweise acht Glättungswerte g_n errech­ net. Es hat sich bei den, dem Ausführungsbeispiel zugrunde liegenden Werten als vorteilhaft herausgestellt, zur Bildung eines Glättungswertes g_n jeweils vier aufeinanderfolgende Summen S_n zu verwenden. Als ebenfalls vorteilhaft erwiesen sich Gewichtungsfaktoren mit dem Wert vier für die beiden mittleren Summen S_M(n-1) und S_M(n) und mit dem Wert eins für die beiden äusseren Summen S_M(n-2) und S_M(n+1).

Bei einem anderen Wert für die Mehrfachabtastung oder für die Anzahl der Bits im Datenblock, können die Anzahl und die Ge­ wichtung der für die Bildung der Glättungswerte g_n herangezo­ genen Summen S_n entsprechend angepaßte Werte annehmen.

Jeder der acht Glättungswerte g_n ist jeweils dem einen Ab­ tastwert s_n zugeordnet. Die acht Glättungswerte g_n sind damit den acht Abtastwerten s_n eines Datenbits zugeordnet.

Die Phase ϕ der Empfangsdatenbits zu den Abtastwerten sn wird als nächstes bestimmt. Hierzu wird der größte gϕ der Glät­ tungswerte g_n bestimmt. Durch den größten Glättungswert gϕ ist die Lage der möglichen Flankenwechsel beziehungsweise Schrit­ tumschläge oder Binärwertwechsel innerhalb des Datenblockes bestimmt.

Die Glättungswerte g_n sind ein Maß dafür, wie oft sich die Abtastwerte s_n von den vorherigen und den nachfolgenden Ab­ tastwerten s_n-1 und s_n+1 unterscheiden. Abtastwerte s_n, deren zugehöriger Glättungswert g_n groß ist, werden nicht zur Re­ konstruktion der Empfangsdaten verwendet. Zur Rekonstruktion der Empfangsdaten werden nur die Abtastwerte s_n verwendet, deren zugehörige Glättungswerte g_n kleiner sind als ein mitt­ lerer Glättungswert g. Der mittlere Glättungswert g wird beispielsweise wie folgt berechnet:

Abtastwerte s_n mit vergleichsweise kleinem Glättungswert g_n werden bei der Rekonstruktion der Empfangsdaten stärker ge­ wichtet, als die Abtastwerte s_n mit einem vergleichsweise großen Glättungswert g_n. Die Gewichte w_n hierzu werden bei­ spielsweise wie folgt berechnet:

Die Gewichte w_n werden beispielsweise derart normiert, so daß die Summe über alle normierten Gewichte ω'_n den Wert 8 er­ gibt.

Aus den Abtastwerten s_n werden Empfangsdaten d_m unter Verwen­ dung dieser normierten Gewichte ω'_n wie folgt rekonstruiert:

Die Werte der rekonstruierten Daten d_m liegen nach der Run­ dung auf ganze Zahlen in einem Wertebereich von Null bis Sie­ ben. Der Wert Null eines Datenbits d_m entspricht dabei einem gut empfangenen Bit mit dem binären Wert Null, der Wert Sie­ ben eines Datenbits d_m entspricht einem gut empfangenen Bit mit dem binären Wert Eins. Die feinen Abstufungen bei dem Wert der rekonstruierten Daten d_m können als Zusatzinfor­ mation bei der weiteren Fehlererkennung und -korrektur ver­ wendet werden.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Maß q für die Qualität der rekonstruierten Daten errechnet. Hierzu werden die Glättungswerte g_i mit den normierten Gewichten ω'_i multi­ pliziert und aufsummiert. Das Maß q wird wie folgt berechnet:

Je besser die Qualität der empfangen Datenbits ist, desto kleiner ist der Wert des Maßes q.

Claims (6)

1. Verfahren zur adaptiven Entzerrung von blockweise empfan­ genen Datenbits, bei dem folgende Verfahrensschritte ausge­ führt werden:

• 1. durch r-fache Überabtastung werden aus den binären Datenbits binäre Abtastwerte (s_n) gewonnen,
• 2. aus jeweils zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten (s_n-1, s_n) wird eine Verknüpfung (v_n) gebildet, durch die die Binär­ wertwechsel im Datenstrom der Datenbits erkennbar sind,
• 3. aus den Verknüpfungen (v_n) werden r Summen (S_n) gebildet, wobei bei jeder Summe (S_n) jeweils fortlaufend mit einer der ersten r Verknüpfungen (v_n) begonnen und jede r-te Verknüp­ fung (v_n+r) aufsummiert wird,
• 4. aus den Summen (S_n) werden jeweils unter Heranziehung minde­ stens einer benachbarten Summe (S_n-1, S_n+1) Glättungswerte (g_n) gebildet,
• 5. die Phasenlage der Abtastwerte (s_n) zu den Binärwertwechseln im Datenstrom der Datenbits ist durch den maximalen Glät­ tungswerte (gϕ) gegeben, und die r Glättungswerte (g_n) sind jeweils den r Abtastwerten (s_n) innerhalb der einem Datenbit entsprechenden Zeitdauer zugeordnet,
• 6. aus den Abtastwerten (s_n) werden Empfangsdaten (d_m) rekon­ struiert, wobei die Abtastwerte (s_n) mit Gewichten (w_n) ver­ sehen aufsummiert werden, und die Werte der Gewichte (w_n) abnehmen mit steigendem Wert der zugehörigen Glättungswerte (g_n).

2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem achtfach (r = 8)überabgetastet wird, und
bei dem zur Bildung der Glättungswerte (g_n) jeweils vier auf­ einanderfolgende Summen (S_mn-2, S_mn-1, S_Mn, S_mn+1) verwendet wer­ den, wobei die beiden mittleren Summen (S_mn-1, S_Mn) mit dem Wert Vier und die beiden äusseren Summen (S_mn-2, S_mn+1) mit dem Wert Eins gewichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem nur solche Gewichte (w_n) einen von Null verschiedenen Wert aufweisen, deren Wert einen Schwellwert unterschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 3 bei dem der Schwellwert durch einen mittleren Glättungswert (g) bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Gewichte (w_n) derart normiert werden, so daß die Summe über alle normierten Gewichte (ω'_n), bezogen auf ein Datenbit, einen vorbestimmten Wert ergibt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem zur Bestimmung eines Maßes (q) für die Qualität der rekonstruierten Empfangsdaten (d_m) die Glättungswerte (g_i) mit den normierten Gewichten (ω'_i ) multipliziert und aufsum­ miert werden.