DE19961090B4

DE19961090B4 - Method for increasing the signal-to-noise ratio of an unknown useful signal in the case of a radio-frequency signal

Info

Publication number: DE19961090B4
Application number: DE1999161090
Authority: DE
Inventors: Otmar Wanierke; Jürgen Dr. Schlienz; Holger Dr. Stahl
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: DE19961090A1

Abstract

Verfahren zum Anheben des Störabstandes eines unbekannten Nutzsignals bei einem Hochfrequenzsignal, das in sich wiederholenden Signalabschnitten jeweils gleiche und schwer meßbare Nutzsignale und mindestens eine Folge von bekannten oder unbekannten aber besser meßbaren Referenzsignalen aufweist und bei dem die Differenz der Ankunftszeit und die Differenz der Phase von Nutzsignal und Referenzsignal in diesen Signalabschnitten bekannt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die aufeinanderfolgenden Signalabschnitte gespeichert werden, die Ankunftszeit und die Phase der Referenzsignale dieser Signalabschnitte gemessen werden,
und dann die Nutzsignale der gespeicherten aufeinanderfolgenden Signalabschnitte um die Summe der Ankunftszeit des Referenzsignals und der Differenz zwischen Ankunftszeit von Nutzsignal und Referenzsignal und um die Summe der Phase des Referenzsignals und der Differenz der Phase von Nutzsignal und Referenzsignal verschoben und addiert werden.A method for increasing the signal to noise ratio of an unknown useful signal in a high-frequency signal having in repetitive signal sections in each case the same and difficult to measure useful signals and at least one sequence of known or unknown but better measurable reference signals and in which the difference of the arrival time and the difference of the phase of the useful signal and reference signal is known in these signal sections, characterized
that the successive signal sections are stored, the arrival time and the phase of the reference signals of these signal sections are measured,
and then the wanted signals of the stored successive signal sections are shifted and added by the sum of the arrival time of the reference signal and the difference between the arrival time of the wanted signal and the reference signal and the sum of the phase of the reference signal and the difference of the phase of the wanted signal and the reference signal.

Description

Die Erfindung betrifft und geht aus von einem Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches.The Invention relates to and starts from a method according to the preamble of the main claim.

In der Praxis können Hochfrequenzsignale oftmals nur überlagert mit verschiedenen Störsignalen empfangen werden. Solche Störungen sind beispielsweise Rauschsignale oder Signale anderer Sender in der näheren Umgebung. Falls das Verhältnis von Störleistung zu Nutzleistung ein von der Modulation der im Nutzsignal eingeprägten Information abhängigen Wert übersteigt, kann eine Demodulation nicht mehr ausgeführt werden. Eine solche Demodulation ist jedoch für verschiedene Aufgaben in der Meßtechnik oder in der Signalverarbeitungstechnik erforderlich. So muß beispielsweise zur Erkennung von Sendestationen bei der Interferenzmessung eine periodisch gesendete Stationskennung demoduliert werden, auch wenn das Nutzsignal am Empfangsort eine schwächere Leistung als eine andere Station auf der gleichen Trägerfrequenz aufweist.In the practice can Frequency signals often only superimposed with different interfering signals be received. Such disorders are, for example, noise signals or signals from other transmitters in the closer Surroundings. If the ratio of interference power to useful power exceeds a value dependent on the modulation of the information impressed in the useful signal, a demodulation can not be executed anymore. Such a demodulation is however for various tasks in metrology or in signal processing technology required. For example for the detection of transmitting stations in the interference measurement a periodic transmitted station identification be demodulated, even if the useful signal at the receiving location a weaker one Power as another station on the same carrier frequency having.

Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, dem Meßgerät eine drehbare Richtantenne zuzuordnen, durch welche die Leistung von Störsendern reduziert werden kann. Dies ist in der Praxis sehr umständlich handhabbar und nur für solche Fälle geeignet, bei denen der Störsender in einer anderen Richtung wie der zu messende Sender sendet. Ein anderes bekanntes Verfahren ( DE 44 31 047 ) ist nur für periodisch gesendete Nutzsignale mit einem festen Phasenbezug zwischen benachbarten Signalabschnitten geeignet, was in der Praxis oftmals nicht gegeben ist.To solve this problem, it is known to assign the meter a rotatable directional antenna, by which the power of jammers can be reduced. This is very cumbersome to handle in practice and only suitable for cases in which the jammer sends in a different direction as the transmitter to be measured. Another known method ( DE 44 31 047 ) is suitable only for periodically transmitted useful signals with a fixed phase reference between adjacent signal sections, which is often not the case in practice.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem auch solche Nutzsignale noch mit ausreichender Leistung gemessen oder anderweitig weiterverarbeitet werden können, bei denen keine feste Phasenbeziehung zwischen den periodisch gesendeten Nutzsignalen besteht und das trotzdem sehr einfach handhabbar ist.It is therefore an object of the invention to provide a method with which also measured such useful signals with sufficient power or otherwise be processed, where no fixed Phase relationship between the periodically transmitted useful signals exists and that is still very easy to handle.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen insbesondere für die Bestimmung der Stationskennung eines GSM-Signals ergeben sich aus den Unteransprüchen.These Task is based on a method according to the preamble of Hauptanspruches solved by its characterizing features. advantageous Further developments in particular for The determination of the station identifier of a GSM signal will become apparent from the subclaims.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß für solche Hochfrequenzsignale, bei denen die Differenz zwischen der Ankunftszeit und die Differenz der Phase der zu messenden Nutzsignale und anderen in den sich wiederholenden Signalabschnitten ebenfalls vorhandenen Referenzsignalen aus der Spezifikation solcher Signale bekannt ist, auf einfache Weise durch Messen der Ankunftszeit dieser besser als die Nutzsignale zu messenden Referenzsignale unter Berücksichtigung dieser bekannten Differenzen zwischen Nutzsignal und Referenzsignal die Nutzsignale so zeitverschoben werden können, daß diese jeweils kohärent addiert werden, während die Störsignale nur inkohärent addiert werden. Die Nutzsignale werden also stärker herausgehoben als die Störsignale und das erhaltene Gesamtsignal hat einen besseren Störabstand als die Einzelsignale in den aufeinanderfolgenden Signalabschnitten. Der Erwartungswert des Störabstandes nimmt mit der Anzahl der ausgewerteten Signalabschnitte zu. Das so aus dem Störsignal herausgehobene Nutzsignal kann dann einer gewünschten Weiterverarbeitung, beispielsweise einer Interferenzmessung oder einer anderen Signalauswertung zugeführt werden, sobald der für die Weiterverarbeitung erforderliche Störabstand erreicht ist.The The invention is based on the recognition that, for such high-frequency signals, where the difference between the arrival time and the difference of Phase of the useful signals to be measured and others in the repetitive Signal sections also existing reference signals from the specification Such signals are easily detected by measuring the Arrival time of these better than the user signals to be measured reference signals considering these known differences between the useful signal and the reference signal the Useful signals can be shifted in time so that each adds coherently be while the noise only incoherent be added. The useful signals are thus emphasized more than the noise and the resulting overall signal has a better signal to noise ratio as the individual signals in the successive signal sections. The expected value of the signal to noise ratio increases with the number of evaluated signal sections. That so from the interference signal lifted payload can then be a desired further processing, for example an interference measurement or other signal evaluation are fed as soon as the for the further processing required signal to noise ratio is reached.

Zur Kanalschätzung eines Hochfrequenz-Übertragungskanals ist es an sich bekannt, in den sich wiederholenden Signalabschnitten des Kommunikationssignals jeweils zusammen mit den Nutzsignalen zwei bekannte Referenzsignale (Trainingssequenzen) vorbestimmter Länge vorzusehen, so daß auch bei einer Mehrwegausbreitung ein „sauberer" Empfang dieser Referenzsignale möglich ist und durch Autokorrelation dieser Signale eine sichere Kanalschätzung durchgeführt werden kann (US-Patent 5,127,051).to channel estimation a radio frequency transmission channel it is known per se, in the repeating signal sections the communication signal in each case together with the useful signals two known reference signals (training sequences) predetermined Provide length, so that too in a multipath propagation, a "clean" reception of these reference signals is possible, and by autocorrelation of these signals a secure channel estimation can be performed can (US Patent 5,127,051).

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.The The invention will be described below with reference to schematic drawings embodiments explained in more detail.

1 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf eines Hochfrequenzsignals, das in Signalabschnitten s₁, s₂, ..., s_n einerseits unbekannte Nutzsignale u₁, u₂, ..., u_n und außerdem bekannte oder unbekannte Referenzsignale b₁, b₂, ..., b_n aufweisen. Außerdem ist diesem Hochfrequenzsignal noch ein Störsignal n überlagert. Die Nutzsignale u_i sind gegenüber der Leistung des Störsignals n schlecht meßbar, die Referenzsignale b_i sind demgegenüber jedoch besser meßbar, da es sich hierbei um Referenzsignalfolgen handelt, für die entsprechende spezielle Meßverfahren wie Korrelationsmessungen zur Verfügung stehen. 1 schematically shows the time course of a high frequency signal in the signal sections s ₁ , s ₂ , ..., s _n on the one hand unknown useful signals u ₁ , u ₂ , ..., u _n and also known or unknown reference signals b ₁ , b ₂ , ..., b _n . In addition, this radio frequency signal is superimposed on a noise n. The useful signals u _i are poorly measurable with respect to the power of the interference signal n, but the reference signals b _i are better measurable, since these are reference signal sequences for which corresponding special measuring methods such as correlation measurements are available.

Aus der Spezifikation des so aufbereiteten Hochfrequenzsignals ist außerdem die Differenz Δt_i = t(u_i) – t(b_i) zwischen der Ankunftszeit von Nutzsignal u_i und Referenzsignal b_i bekannt, ebenso die Differenz Δφ_i = φ(u_i) – φ(b_i) der Phase von Nutzsignal u_i und Referenzsignal b_i.From the specification of the thus prepared high-frequency signal also is the difference .DELTA.t _i = t (u _i) - (b _i) t known between the arrival time of the useful signal u _i and the reference signal b _i, as the difference Δφ _i = φ (u _i) - φ (b _i ) the phase of useful signal u _i and reference signal b _i .

Für die Ausführung des Verfahrens werden die meist schon als Digitalsignale vorliegenden Signalabschnitte s_i in einem Speicher abgespeichert. Wenn die Referenzsignalfolge unbekannt ist, wird diese zuerst nach einem bekannten Verfahren gemessen. Aus der damit entweder von Anfang an bekannten oder durch Messung ermittelten Referenzsignalfolge wird dann die Ankunftszeit t(b_i) und Phase φ(b_i) der aufeinanderfolgenden Referenzsignale in den sich wiederholenden Signalabschnitten gemessen. Aus diesen Werten wird dann unter Berücksichtigung einer konstanten frei wählbaren Anfangszeit t₀ eine Verschiebezeit T = t₀ + t(b_i) + Δt_i und eine Phasenverschiebung ϕ = φ₀ + φ(b_i) + Δφ_i ermittelt. Um diese Werte werden dann die Nutzsignale u₁, u₂ bis u_n gemäß 2 so verschoben, daß diese bezogen auf t₀ jeweils zu gleicher Zeit auftreten und somit kohärent addiert werden können. Das kohärente Summensignal u₁ + u₂ + ... + u_n wird so gegenüber dem inkohärent addierten Störsignal bezüglich Leistung herausgehoben und kann so weiterverarbeitet werden.For the execution of the procedure the most present as digital signals signal sections s _i stored in a memory. If the reference signal sequence is unknown, it is first measured by a known method. The arrival time t (b _i) and phase φ (b _i) of the consecutive reference signals is then measured in the repeating signal from the sections so that either initially known or determined by measuring the reference signal sequence. From these values, a shift time T = t ₀ + t (b _i ) + Δt _i and a phase shift φ = φ ₀ + φ (b _i ) + Δφ _i is then determined taking into account a constant arbitrary starting time t ₀ . The useful signals u ₁ , u ₂ to u _n are then calculated in accordance with these values 2 shifted so that these occur relative to t ₀ each at the same time and thus can be added coherently. The coherent sum signal u ₁ + u ₂ + ... + u _n is thus lifted relative to the incoherently added noise signal with respect to power and can be further processed.

Gemäß einer Weiterbildung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, nur Nutzsignale u_i zu addieren, wenn der Störabstand b_i/n der entsprechenden Referenzfrequenz b_i einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.According to one embodiment, it has proven to be advantageous to add only useful signals u _i when the signal-to-noise ratio b _i / n of the corresponding reference frequency b _i exceeds a predetermined threshold value.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Nutzsignale u_i bezüglich des Störabstandes b_i/n zu sortieren. Dann werden für wachsende Anzahlen k Signalsummen U_k aus den ersten k sortierten Signalen der Weiterverarbeitung zugeführt, bis die Weiterverarbeitung erfolgreich ist. Wenn hierbei jeweils gleiche Referenzsignale b_i in aufeinanderfolgenden Signalabschnitten vorhanden sind, kann für eine bestimmte Anzahl k auch die Summe B_k der ersten k Referenzsignale gebildet werden und von dieser Summe B_k wird dann der Störabstand B_k/N berechnet. Das Summensignal U_k kann dann der Weiterverarbeitung zugeführt werden, wenn der Störabstand B_k/N eine vorgegebene Schwelle überschreitet.Another possibility is to sort the useful signals u _i with respect to the signal-to-noise ratio b _i / n. Then, for growing numbers, k signal sums U _{k are} supplied from the first k sorted signals to further processing until further processing is successful. If in each case identical reference signals b _{i are present} in successive signal sections, the sum B _{k of} the first k reference signals can also be formed for a specific number k and the signal-to-noise ratio B _k / N is then calculated from this sum B _k . The sum signal U _k can then be supplied for further processing when the signal-to-noise ratio B _k / N exceeds a predetermined threshold.

Schließlich besteht auch noch die Möglichkeit, daß ein Summensignal aus gewichteten Nutzsignalen gebildet wird. Der Wichtungsfaktor W_i, mit dem die Nutzsignale gewichtet werden, wird durch eine Formel berechnet, in welcher die Leistung der Nutzsignale oder der Referenzsignale bzw. der Störabstand dieser Referenzsignale eingehen. Die Bestimmung der Wichtungsfaktoren kann durch eine Optimierungsaufgabe erfolgen, bei welcher der Erwartungswert des Störabstandes des gewichteten Summensignals unter der Bedingung einer angenommenen oder gemessenen Statistik des Störsignals maximiert wird. Eine andere Möglichkeit für eine Bestimmung der Wichtungsfaktoren ist ein Parameteransatz, bei dem die Parameter durch ein Optimierungsverfahren oder durch einfaches Ausprobieren derart ermittelt werden, daß sich für eine Meßreihe der Mittelwert des Störabstandes der zur Meßreihe gebildeten gewichteten Summe erhöht oder die Anzahl erfolgreicher Weiterverarbeitungen maximal wird. Aus diesen Formeln kann dann eine Ein- oder zweidimensionale Tabelle für den Zusammenhang zwischen den Leistungen b_i oder u_i und/oder des Störabstandes b_i/n aufgestellt werden bzw. empirisch ermittelt werden.Finally, there is also the possibility that a sum signal is formed from weighted useful signals. The weighting factor W _i , with which the useful signals are weighted, is calculated by a formula in which the power of the useful signals or the reference signals or the signal-to-noise ratio of these reference signals are received. The determination of the weighting factors can be carried out by an optimization task, in which the expected value of the signal-to-noise ratio of the weighted sum signal is maximized under the condition of an assumed or measured statistic of the interference signal. Another possibility for determining the weighting factors is a parameter approach, in which the parameters are determined by an optimization method or by simple trial and error so that the mean value of the signal-to-noise ratio of the weighted series formed for the measurement series increases or the number of successful further processing units becomes the maximum , From these formulas, a one- or two-dimensional table for the relationship between the powers b _i or u _i and / or the signal-to-noise ratio b _i / n can then be established or determined empirically.

3 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herausheben der sogenannten Cell Identity (CI) und des Location Area Codes (LAC)-aus einem mit einem Störsignal überlagerten GSM-Signal. Der Aufbau und die Spezifikation solcher GSM-signale ist näher beschrieben bei Eberspächer, J/Vögel, H.-J.: GSM-Global System for Mobile Communication, Stuttgart, Teubner-Verlag 1997. 3 zeigt eine solche bekannte GSM-Signalfolge, die im sogenannten BCCH-Abschnitt die zu messenden Bursts enthält. In diesen BCCH-Abschnitten ist eine von 8 möglichen Trainingssequenzen enthalten, die sich durch Korrelation relativ einfach und genau bestimmen läßt und die sich daher gut als Referenzsignal b_i eignet. Die Erkennung der Trainingssequenz funktioniert bei bis zu 12 dB stärkeren Störungen gegenüber der normalen Demodulation. 3 shows the application of the method according to the invention for highlighting the so-called Cell Identity (CI) and the Location Area Code (LAC) from a superimposed with a noise signal GSM signal. The structure and specification of such GSM signals is described in more detail in Eberspächer, J / Birds, H.-J .: GSM-Global System for Mobile Communication, Stuttgart, Teubner-Verlag 1997. 3 shows such a known GSM signal sequence containing the bursts to be measured in the so-called BCCH section. These BCCH sections contain one of 8 possible training sequences, which can be determined relatively simply and accurately by correlation and which therefore is well suited as a reference signal b _i . Recognition of the training sequence works at up to 12 dB stronger interference than normal demodulation.

Zum Herausheben der die CI- bzw. LAC-Informationen enthaltenden Bursts als Nutzsignale u_i einer ausgewählten GSM-Basisstation wird zunächst Synchronisation auf die gesuchte Station mit Hilfe der Frequency-Conection-Channel FCCH und Synchronisation Channel SCH in bekannter Weise durchgeführt. Die Stationskennung CI befindet sich in der Systype 3 Information, welche in vier aufeinanderfolgenden BCCH-Bursts eines logischen Kanals übertragen wird. Diese vier Bursts werden ca. jede Sekunde wiederholt. Für jeden dieser vier Bursts wird das oben erwähnte Verfahren separat angewendet. Dabei wird die Trainingssequenz der gesuchten Basisstation durch Bewertung von Ergebnissen der Korrelation mit den 8 möglichen Trainingssequenzen bestimmt. Das Korrelationsergebnis mit der Trainingssequenz der Basisstation erlaubt die Angabe der exakten zeitlichen Ankunft und der exakten Phasenlage jedes BCCH-Bursts. Die Bits der Systype 3 Information befinden sich immer an der gleichen Stelle im Burst, so daß eine Addition der zu einheitlichen Anfangszeiten und Phasenlagen verschobenen Burstsignale die gesuchte Systype 3 Information gegenüber vorhandenen Störern verstärkt. Anschließend kann eine bekannte Demodulation der vier verstärkten BCCH-Bursts mit bekannten Verfahren, z.B. einem Viterbi Demodulator in bekannter Weise ausgeführt werden. Da nach der Systype 3 Information noch andere Systype Informationen in drei folgenden BCCH-Paketen übertragen werden und nach anfänglicher Synchronisation die Position der Systype 3 Information nicht bekannt ist, wird das Verfahren viermal durchgeführt und anhand des Ergebnisses der Demodulation entschieden, welcher BCCH-Block die Systype 3 Information enthielt. _I a selected GSM base station synchronization is first performed for lifting of the CI or LAC information containing bursts as useful signals and on the desired station using the frequency-conection-Channel FCCH and Synchronization Channel SCH in a known manner. The station identifier CI is in the Systype 3 information, which is transmitted in four consecutive BCCH bursts of a logical channel. These four bursts are repeated approximately every second. For each of these four bursts, the above-mentioned method is applied separately. The training sequence of the searched base station is determined by evaluating results of the correlation with the 8 possible training sequences. The correlation result with the training sequence of the base station allows the specification of the exact time arrival and the exact phase position of each BCCH burst. The bits of the Systype 3 information are always in the same place in the burst, so that an addition of the burst signals shifted to uniform start times and phase positions amplifies the searched Systype 3 information against existing interferers. Subsequently, a known demodulation of the four amplified BCCH bursts can be carried out by known methods, for example a Viterbi demodulator in a known manner. Since, according to the Systype 3 information, other systype information is transmitted in three subsequent BCCH packets, and after initial synchronization the position of the Systype 3 information is not known, the method becomes four and decided based on the result of the demodulation which BCCH block contained the Systype 3 information.

Claims

A method for increasing the signal to noise ratio of an unknown useful signal in a high-frequency signal having in repetitive signal sections in each case the same and difficult to measure useful signals and at least one sequence of known or unknown but better measurable reference signals and in which the difference of the arrival time and the difference of the phase of the useful signal and reference signal is known in these signal sections, characterized in that the successive signal sections are stored, the arrival time and the phase of the reference signals of these signal sections are measured, and then the useful signals of the stored consecutive signal sections by the sum of the arrival time of the reference signal and the difference between arrival time of the wanted signal and the reference signal and by the sum of the phase of the reference signal and the difference of the phase of the wanted signal and the reference signal are shifted and added.

Method according to claim 1, characterized in that that at an unknown reference signal sequence of the radio frequency signal this first is measured.

Method according to claim 1 or 2, characterized that only such useful signals of successive signal sections added be, their associated Reference signals have a signal-to-noise ratio have, which exceeds a predetermined threshold.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that Useful signals according to the size of the signal-to-noise ratio their associated Reference signals are sorted and the time-shifted addition the useful signals starting with the wanted signals, their reference signals the largest signal to noise ratio have, increasingly with more of these sorted useful signals continues until the desired increase in power of the unknown useful signal is reached.

Method according to one of the preceding claims a high-frequency signal in successive signal sections each same known or unknown but better measurable reference signals characterized in that also the reference signals of several consecutive and time-shifted signal sections are added, the signal to noise ratio is calculated by this reference sum signal and the useful sum signal is then supplied to further processing, if this signal to noise ratio of the reference sum signal exceeds a predetermined threshold.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that Useful signals before addition with one of the power of the useful signals and / or the reference signals and / or the signal-to-noise ratio of the reference signals dependent weighting factor be weighted.

Method according to one of the preceding claims to Raising the signal-to-noise ratio the station identification burst of a base station sent and a GSM signal superimposed with an interference signal, the repetitive signal sections one of eight possible Training sequences and transmits the station ID in four consecutive bursts, thereby characterized in that first the the desired base station associated Training sequence is determined and then successively for each the four station identification bursts as a useful signal and with the training sequence as a reference signal sequence, the method according to one of claims 1 to 6 performed becomes.