DE19929727C2 - Empfangsteil zum Betrieb eines Empfangsteils - Google Patents

Abstract

Empfangsteil (1), ausgebildet zum Codemultiplexempfang über eine Mehrzahl von Empfangssignalpfaden, welches insbesondere eine Mehrzahl von Rake-Fingern (15a, 15b) aufweist, wobei die Empfangssignalpfade Verzögerungskompensationsmittel (1A, 1B) zur Kompensation der pfadspezifischen Empfangssignalverzögerung aufweisen, wobei die Verzögerungskompensationsmittel separate Grob- und Feinkompensationsmittel (1A, 1B) umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Empfangsteil, insbesondere ein Mo­ bilfunk-Empfangsteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Allgemein kann die Sende-/Empfangskette bei der digitalen Nachrichtenübermittlung vereinfacht dargestellt werden als eine Kette aus einer Symboldatenquelle, einem Sendeimpulsfil­ ter, dem Übertragungskanal, einem Empfangsfilter und einer Entscheidungseinrichtung, die die ursprünglich gesendeten Symbole aus dem Empfangssignal wiedergewinnt.

Da wegen der begrenzten Frequenzressourcen im Prinzip bei je­ der Nachrichtenübertragung von einer gegebenen Bandbegrenzung des Übertragungskanals auszugehen ist, wird mit der Sendeim­ pulsformung eine entsprechende Bandbegrenzung des Sendesi­ gnals vorgenommen. Zugleich wird die Impulsformung so vorge­ nommen, daß im Zusammenwirken mit dem Empfangsfilter eine möglichst wirksame Störbefreiung erreicht wird und damit die Entscheidung, welches Symbol empfangen wurde, mit größtmögli­ cher Wahrscheinlichkeit getroffen werden kann.

Eine korrekte Funktion der Entscheidungseinrichtung setzt voraus, daß diese nicht nur frequenzsynchron zum Takt der empfangenen Chips (Chiptakt des Senders) sondern auch phasen­ synchron dazu arbeitet. Ein taktsynchroner, aber phasenver­ schobener Empfang von Chips führt zu einer Degradierung der Signalqualität.

Ein grundlegendes physikalisches Problem besteht nun darin, daß im Übertragungskanal das gesendete Signal in weitgehend unbekannter Weise verzögert wird, so daß auf der Empfängerseite die genaue zeitliche Lage der Symbole nicht von vorn­ herein genau genug bekannt ist.

Der Empfang von Mehrwegesignalen - die im allgemeinen unter­ schiedliche Laufzeiten aufweisen - bringt gegenüber dem Emp­ fang eines Einzelsignals einen deutlichen Signalqualitätsge­ winn hinsichtlich Signalamplitude und Fading-Verringerung.

Das sogenannte CDMA (Code Division Multiple Access)-Verfahren ermöglicht einen geordneten Mehrfachzugriff auf einen Fre­ quenzbereich auf der Grundlage einer spezifischen Codierung der von den einzelnen Sendern ausgesandten Signale. Bei die­ sem Verfahren werden die Sendesignale aller gleichzeitig in demselben Frequenzband aktiven Nutzer eines Netzes durch Auf­ prägung spezifischer CDMA-Codes bandgespreizt und individua­ lisiert. Hierfür gibt es verschiedene spezielle Verfahren, von denen die direkte Multiplikation des zu übertragenden Bitstroms mit einem Code (DS-CDMA = Direct Sequenzing Code Division Multiple Access) das gebräuchlichste ist. Der Emp­ fang von CDMA-Mehrwegesignalen erfordert einen aufwendig ge­ stalteten Empfänger.

Das "Rake"-Empfangsteil ist ein solches Empfangsteil und um­ faßt mehrere Empfangssignalpfade, die auch als "Finger" des Rake-Empfangsteils bezeichnet werden. Jeder dieser Finger wird mit möglichst optimaler Phasenlage auf ein Mehrwegesig­ nal eingestellt

Speziell bei derartigen Empfängern wirft die in ihrem Betrag unbekannte zeitliche Verschiebung der Symbole von mehreren gleichzeitig empfangenen Signalen mit gleichem bzw. kombi­ nierbarem Gehalt, die jedoch aus unterschiedlichen Quellen stammen und/oder verschiedene Ausbreitungspfade zurückgelegt haben, erhebliche Probleme auf. Beispielsweise im UMTS-System wird der Betrag der anzunehmenden zeitlichen Verschiebung stark von den geographischen und baulichen Gegebenheiten auf der Übertragungsstrecke abhängen, und seine Obergrenze wird in aktuellen Abschätzungen mit mindestens 15 µs angenommen, was einer Verzögerung im Bereich von einigen zehn bis gegebe­ nenfalls über 100 Chipperioden entspricht. Dabei ist zu be­ achten, daß bereits eine Verschiebung von einem Bruchteil ei­ ner Chipperiode durchaus kritisch für die Qualität der emp­ fangsseitigen digitalen Signalverarbeitung ist. Für einen derartigen Empfänger ist daher neben der Chipfrequenzsynchro­ nisation eine Phasen-Synchronisation des Empfängers mit einer Genauigkeit von Bruchteilen einer Chipperiode für eine kor­ rekte Funktion der Entscheidungseinrichtung unabdingbar.

Im Stand der Technik sind zwei grundlegend verschiedene He­ rangehensweisen an dieses Problem bekannt: Die eine besteht darin, Empfänger mit einer großen Anzahl von Rake-Fingern mit festem Zeitversatz zueinander vorzusehen und auf eine Kompen­ sation der Zeitverzögerungen im Empfänger völlig zu verzich­ ten. Der andere Ansatz besteht in der Anwendung verschieden­ artigster Regelverfahren, etwa unter Einsatz zeitvariabler Filter, um anhand eines Fehlerkriteriums eine Steuerung des Zeitversatzes zur Erreichung der erforderlichen Symbolsyn­ chronität vorzunehmen. Bei der letzteren Lösung sind nur we­ nige Rake-Finger erforderlich, der Aufwand für die Kompensa­ tionssteuerung dieser Finger ist jedoch erheblich.

Aus der DE 196 15 257 A1 ist ein CDMA-Rakeempfänger mit einer Sub-Chipauflösung bekannt. Der CDMA-Rakeempfänger weist dazu eine neue Kanalschätzeinrichtung auf, die Mehrwegekomponenten auflösen bzw. trennen kann, die zeitlich näher als ein Zeit­ intervall eines Chips beieinander liegen, wobei die Schätz­ einrichtung eine beschränkt iterative Entfaltungstechnik an­ wendet, die eine Projektion auf konvexe Mengen benutzt. In Verbindung mit einem signalangepassten Filter ist eine Verzö­ gerung T_SC zwischen zwei Anzapfstellen einer Verzögerungslei­ tung kleiner als die Dauer T_C eines Chips einer Pseudozu­ fallsfolge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Empfang­ steil zum Betrieb eines Empfangsteils be­ reitzustellen, mit denen eine Synchronisierung des empfänger­ seitigen Abtasttaktes mit dem tatsächlichen Empfangssi­ gnaltakt mit relativ geringem Hardware-Aufwand und damit eine kostengünstige Herstellung des Empfangsteils möglich ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Vorrichtungsaspektes durch ein Empfangsteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken ein, die zur korrekten Funktion des Empfangsteils erforderliche Syn­ chronisation der im Übertragungskanal bzw. der "Luftschnitt­ stelle" aufgetretenen Signalverzögerung in zwei aufeinander­ folgenden Stufen in einer Grob- und anschließenden Feinkom­ pensation vorzunehmen und dadurch erhebliche Aufwands- und Kostenvorteile bei der hardwaremäßigen Realisierung zu erzie­ len.

In einer bevorzugten Ausführung umfaßt die Grobkompensations­ stufe ein Ausgleichsregister zur Verzögerung des Signals um Vielfache einer Abtastperiode, während die Feinkompensations­ stufe einen oder mehrere Interpolator(en) zur Interpolation bzw. gesteuerten Verzögerung um weniger als ± eine halbe Ab­ tastperiode, aufweist. In einer mit Blick auf den geringen Hardwareaufwand bevorzugten Ausführung mit linearen Interpo­ latoren werden diese im wesentlichen durch eine Anordnung aus einigen logischen Gattern realisiert, die in höchstintegrier­ ter Ausführung besonders unaufwendig und platzsparend zu rea­ lisieren sind.

Im Falle eines Rake-Empfängers mit einer Mehrzahl von Rake- Fingern ist diesen insbesondere gemeinsam eine Grobkompensa­ tionsstufe (ein von den einzelnen Fingern differenziert an verschiedenen Positionen zugreifbares Ausgleichsregister) vorgeschaltet, während jeder Finger einzeln einen Interpola­ tor bzw. ein gesteuertes Fein-Verzögerungsglied aufweist.

Die Steuerung sowohl der Grobkompensationsstufe als auch der Feinkompensationsstufe (Interpolatoren) wird bevorzugt mit Daten vorgenommen, die auch im Rahmen der sogenannten Kanal­ schätzung anfallen bzw. benötigt werden.

Ein eingangsseitiger A/D-Wandler ist bevorzugt für eine Über­ abtastung (Oversampling) des Empfangssignals ausgelegt. Die mit (beispielsweise zweifacher) Überabtastung digitalisierten Empfangsdaten werden zunächst einer Grobkompensation ihres Zeitversatzes unterzogen. Nach diesem Punkt unterscheidet sich das wünschenswerte Abtastraster von dem tatsächlich ge­ gebenen noch maximal um ± eine halbe Abtastperiode, wobei dieser Zeitversatz für jeden Rake-Finger im allgemeinen ver­ schieden ist.

In den Interpolationsstufen werden aus den ursprünglichen Da­ ten durch Interpolation neue Daten errechnet, die möglichst gut denjenigen entsprechen, die mit dem korrekten Abtastra­ ster gewonnen worden wären. Die Interpolationsstufen kompen­ sieren damit den Rest-Versatz zwischen dem aktuell vorliegen­ den und dem optimalen Abtastraster. Die Interpolatoren werden beispielsweise durch aus dem Rake-Finger selbst kommende Steuerdaten nachgeführt, während die Abgriffspunkte für die einzelnen Rake-Finger am Schieberegister der Grobkompensa­ tionsstufe durch eine als Verzögerungssucher zu bezeichnende Auswertungseinheit eingestellt werden.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Be­ schreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

Fig. 1 eine skizzenhafte Darstellung der wesentlichen Schrit­ te der Empfangssignalverarbeitung in einem Rake-Emp­ fangsteil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Funktions-Blockschaltbildes und

Fig. 2 eine Prinzipskizze des Aufbaus eines Interpolators der Anordnung aus Fig. 1.

In Fig. 1 sind die für die Erläuterung der Erfindung wesent­ lichen Komponenten eines Mobilfunk-Empfangsteils 1 in Form eines Funktions-Blockschaltbildes in ihrem Zusammenwirken skizziert.

Ein in (nicht dargestellten) analogen Stufen des Mobilfunk- Empfangsteils vorverarbeitetes analoges Empfangssignal RP wird zunächst einem A/D-Wandler 3 zugeführt, der eine Ana­ log/Digital-Wandlung mit zweifacher Chip-Rate (zweifacher Überabtastung) ausführt. Das am Ausgang des A/D-Wandlers 3 bereitstehende digitalisierte Empfangssignal R_d wird einem empfängerseitigen RRC (Root Raised Cosine)-Filter 5 zuge­ führt, in dem - in an sich bekannter Weise - im Zusammenwir­ ken mit einem senderseitigen identischen RRC-Filter eine Fil­ terung zur Unterdrückung der Intersymbol-Interferenz ausge­ führt wird. Das Ausgangssignal des RRC-Filters 5, das gefil­ terte Empfangssignal R_f, wird einerseits einer als Verzöge­ rungssucher bezeichneten Auswertungsstufe 9 und andererseits einem nachfolgend auch als Ausgleichsregister bezeichneten Schieberegister 7 zugeführt. Diese Komponenten bilden zusam­ men mit einer der Auswertungsstufe 9 nachgeordneten Fingerab­ griffs-Steuerstufe 11 eine Grobkompensationsstufe 1A des Mo­ bilfunk-Empfangsteils 1.

Im Verzögerungssucher 7, der hardwaremäßig einen relativ ein­ fachen Aufbau aufweist, aber einen sehr hohen Datendurchsatz und Rechenaufwand realisieren muß, wird gemäß einem vorbe­ stimmten Algorithmus eine energetische Betrachtung von mit verschiedenen testweise angenommenen Verzögerungswerten er­ haltenen Signalkonstellationen (Korrelationen) ausgeführt. Im Ergebnis dieser Signalauswertung findet der Verzögerungssu­ cher eine Mehrzahl von relevanten Verzögerungswerten, die für eine Weiterverarbeitung des Empfangssignals aus verschiedenen Pfaden die erforderliche Grobsynchronisation bieten. Der Ver­ zögerungssucher ist so ausgebildet, daß der implementierte Algorithmus die Suche lediglich bis auf ganzzahlige Vielfache der Abtastperiode ausführt. Am Ausgang des Verzögerungssu­ chers 7 stehen die entsprechenden Verzögerungswerte bereit, die der Fingerabgriffs-Steuerstufe 11 zugeführt werden. Diese stellt an einer Mehrzahl von Ausgängen jeweils eine Verbin­ dung mit einer Position des Ausgleichsregisters 9 bereit, die einem der relevanten Verzögerungswerte entspricht. Die Ausgänge der Fingerabgriffs-Steuerstufe 11 sind mit einer ent­ sprechenden Anzahl von Eingängen einer Feinkompensationsstufe 1B verbunden, die - zu jeweils einem von einer Mehrzahl von Rake-Fingern 15a, 15b, . . . gehörende - Interpolatoren 13a, 13b, . . . sowie jeweils eine die Interpolatoren ansteuernde Interpolations-Steuerstufe 17a, 17b . . . aufweist. In den In­ terpolatoren 13a, 13b wird im Zusammenwirken mit dem jeweils zugehörigen Finger 15a, 15b eine Feinverzögerung des in der Grobkompensationsstufe 1A bis auf ganzzahlige Vielfache der Abtastperiode kompensierten Signals, beispielsweise mit einer Genauigkeit von 1/8 oder 1/16-Chip, ausgeführt.

Die Grob-Kompensation/-Schätzung braucht nur wesentlich sel­ tener durchgeführt zu werden als die Fein-Kompensation, bei­ spielsweise nur alle 10 ms gegenüber einem Wiederhol-Inter­ vall von 625 µs für die - im Grunde permanent ablaufende - Fein-Kompensation.

In den Rake-Fingern erfolgt eine Entspreizung sowie ein De­ scrambling der einer Grob-Kompensation unterzogenen Chipse­ quenzen mit einem Anfangswert der Restverzögerung. Die Rake- Finger 15a, 15b, . . . des Empfangsteils 1 haben eine (in Fig. 1 nicht dargestellte) Substruktur insofern, als neben einem die eigentliche Nutzdatenverarbeitung durchführenden ersten "Sub-Finger" ein sogenannter "Early"-Finger sowie ein "Late"- Finger vorgesehen sind, die das Finger-Eingangssignal nach der Grobkompensation einer Zeitverschiebung nach vorn bzw. hinten um eine bzw. eine halbe Chip-Periode unterziehen und die Verarbeitung auf der Grundlage dieser Verschiebung durch­ führen. Im Rahmen dieser Substruktur wird wiederum eine ener­ getische Betrachtung dahingehend realisiert, welcher der Sub- Finger das beste Signal liefert. Ein entsprechend verarbeite­ tes Auswertungs- bzw. Steuersignal wird von dem entsprechen­ den Rake-Finger 15a, 15b über die zugehörige Interpolations- Steuerstufe 17a, 17b dem vorgeschalteten Interpolator 13a, 13b zugeführt, der daraufhin mit der empfangenen neuen Stütz­ stelle eine Neuberechnung des Datenstromes ausführt und das Ergebnis an den Finger übermittelt. Im Zusammenwirken der In­ terpolatoren mit den zugehörigen Fingern in der skizzierten Regelschleife wird also eine ständige Annäherung an den kor­ rekten Feinverzögerungswert (Bruchteil der Abtastperiode) vorgenommen. Vereinfacht gesagt, ist der Interpolator hierbei auch als steuerbares Verzögerungsglied zu bezeichnen oder eventuell durch ein solches zu ersetzen.

Wie oben bereits angemerkt, erfolgt in den Fingern 15a, 15b mit der Bestimmung der Amplitude und Phasenlage des - vorab grob kompensierten - Empfangssignals der zweite Teil einer Kanalschätzung hinsichtlich der Verzögerungs- oder Totzeit­ komponente. In einer den Rake-Fingern 15a, 15b gemeinsam nachgeschalteten Nachverarbeitungsstufe 19 wird der Gesamt­ vorgang der Entspreizung, des Descrambling und der Kanal­ schätzung in einer Kombination der Vor- und Teilresultate der einzelnen Finger komplettiert, so daß einem nachfolgenden De­ coder 21 im Ergebnis der empfängerseitigen Diversity-/Multi­ plexing-Verarbeitung die wiedergewonnenen Datensymbole in bestmöglicher Qualität zugeführt werden.

Fig. 2 zeigt einen einfachen Aufbau eines linearen Interpola­ tors 13 mit zwei Dateneingängen 13.1, 13.2 für Datensignale x₀ bzw. x₁, einem Steuereingang 13.3, einer Subtraktionsstufe 13.4, einem Multiplikator 13.5 und einer Addtionsstufe 13.6 sowie einem Ausgang 13.7 für ein Ausgangssignal y. Das Aus­ gangssignal ergibt sich nach der Beziehung

y = x₀ + (x₁ - x₀).α,

wobei beispielsweise gilt: α ∈ {0; 0,25; 0,5; 0,75)}

Dieser Aufbau ist nur im Sinne eines Beispiels gezeigt, es können auch andere dem Fachmann an sich bekannte Strukturen, beispielsweise zur Realisierung eines quadratischen Interpo­ lators, eingesetzt werden.

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern auch in einer Reihe von Abwandlungen möglich, deren Realisierung im Ermessen des Fachmanns liegt.

Claims (5)

1. Empfangsteil (1) ausgebildet zum Codemultiplexempfang über eine Mehrzahl von Empfangssignalpfaden, welches eine Mehrzahl von Rake-Fingern (15a, 15b) aufweist, wobei die Empfangssig­ nalpfade Verzögerungskompensationsmittel (1A, 1B) zur Kompen­ sation der pfadspezifischen Empfangssignalverzögerung aufwei­ sen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungskompensationsmittel separate Grob- und Fein­ kompensationsmittel (1A, 1B) umfassen, wobei die Grobkompen­ sationsmittel (1A) ein Ausgleichsregister (9) zur Verzögerung des Empfangssignals um Vielfache einer Abtastperiode und die Feinkompensationsmittel (1B) mindestens einen Interpolator (13a, 13b) oder ein steuerbares Verzögerungsglied zur Inter­ polation der Empfangssignalverzögerung um weniger als eine halbe Abtastperiode umfassen.

2. Empfangsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Interpolator (13a, 13b) als linearer Interpolator ausge­ bildet ist, der zwei Dateneingänge (13.1, 13.2), einen Steu­ ereingang (13.3), eine Subtraktionsstufe (13.4), eine Multi­ plikator (13.5), eine Additionsstufe (13.6) sowie einen Aus­ gang (13.7) für ein Ausgangssignal (y) umfaßt, die derart miteinander verbunden sind, dass am Ausgang (13.7) die Summe eines ersten Datensignals (x₀) und einer mit einem Faktor (a) gewichteten Differenz zwischen dem ersten Datensignal (x_o) und einem zweiten Datensignal (x₁) als Ausgangsignal (y) an­ liegt.

3. Empfangsteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Empfangssignalverzögerungs-Erfassungsstufe (7), die ein­ gangsseitig mit dem Ausgang eines empfängersei­ tigen RRC-Filters (5) verbunden ist und eine mit deren Aus­ gang verbundene Grobkompensations-Steuerstufe (11).

4. Empfangsteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit einem Steuereingang der Feinkompensationsmittel (1B) verbundene Interpolations-Steuerstufe (17a, 17b), die ein­ gangsseitig mit einem Ausgang des jeweiligen Ra­ ke-Fingers (15a, 15b) verbunden ist.

5. Empfangsteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem einer Mehrzahl von Rake-Fingern (15a, 15b) einzeln je ein Feinkompensationsmittel (13a, 13b) und allen Rake-Fingern gemeinsam ein Grobkompensationsmittel (1A) zugeordnet ist.