DE3540722C2 - Verfahren zur automatischen Pegelregelung - Google Patents
Verfahren zur automatischen PegelregelungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Pegelregelung
eines in Form digitaler Abtastwerte vorliegenden Empfangssignals.
Beim herkömmlichen Empfänger wird im allgemeinen ein Integral-Regler
verwirklicht, der den Mittelwert der Pegelabweichung vom Sollwert
des ZF-Pegels nach dem Ausgang am Stellglied als Regelgröße nutzt.
Daher erfolgt ein verzögertes Einschwingen des geregelten ZF-Pegels
bei plötzlich auftretenden Pegelsprüngen. Erreichbare Werte sind dabei ca.
10 ms für ± 3 dB Pegeltoleranz und 3 kHz Bandbreite. Dies ist auch der
Fall, wenn der Zeitpunkt eines möglichen Pegelsprungs bekannt ist. Die bisherige
Technik benutzt die Variation der Regelzeitkonstante in Abhängigkeit
von der Pegelabweichung.
Eine ähnliche Lösung für einen zumindest teilweise digitalisierten
Empfänger, in dem das zu regelnde Empfangssignal in Form einer Folge
von digitalen Abtastwerten vorliegt, ist beispielsweise in der
DE 25 54 744 C2 beschrieben. Dort werden die digitalen Abtastwerte
mit einem Regelsignal multipliziert und die Ausgangswerte der Multi
plizierstufe werden durch Vergleich mit einem digitalen Bezugssignal
über eine Rückkopplungsschleife zur Nachführung des Regelsignals be
nutzt.
In der nachveröffentlichten EP 0 213 224 A1 ist ein Verfahren zur
automatischen Verstärkungsregelung in einem Empfänger beschrieben,
bei dem die Verstärkungsregelung durch Multiplikation des in Form
digitaler Abtastwerte vorliegenden Empfangssignals mit einem Regel
signal erreicht wird, zu dessen Erzeugung unter anderem Abtastwerte
gemittelt werden.
Im einzelnen wird bei diesem Verfahren eine Anzahl aufeinanderfol
gender Abtastwerte in einem Speicher, einem Filter und einem Entzer
rer zwischengespeichert. Aus den gespeicherten Abtastwerten werden
die Mittelwerte gebildet und ein entsprechender Korrekturfaktor er
rechnet. Die bereits zwischengespeicherten Abtastwerte werden dann
mit diesem Korrekturfaktor multipliziert, so daß bei diesem Verfah
ren bereits vorher empfangene Abtastwerte mit dem aktuellen Regelsi
gnal multipliziert werden. Dadurch können störende Einschwingzeiten
der Verstärkungsregelung zwar wesentlich verringert werden, Ein
schwingprobleme können jedoch auch bei diesem Verfahren vor allem
dann auftreten, wenn das Empfangssignal nicht optimal im Zeitraster
des Empfängers liegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur automatischen Pegelregelung
eines in Form digitaler Abtastwerte vorliegenden Empfangssignals anzugeben,
das auch bei nicht optimal im Zeitraster des Empfängers
liegenden Empfangssignalen eine wesentliche Verringerung der Ein
schwingzeit ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 gegeben.
Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demgemäß das
Regelsignal nicht über eine Rückkopplungsschleife, sondern
direkt aus dem Eingangssignal erzeugt und das Ausgangssi
gnal nach dem Stellglied (Multiplizierstufe) erst ausgege
ben, wenn der Integrationsvorgang abgeschlossen ist. Dies
führt zwar zu einer Signalverzögerung entsprechend der
Integrationszeit, der Einschwingvorgang nach einem starken
Pegelsprung, vor allem zu Beginn einer Sendung, wird
jedoch wesentlich verkürzt, so daß das vollständige Signal
auf einen zur weiteren Auswertung brauchbaren Pegel ge
bracht wird, der Signalanfang also nicht verloren geht.
Die Erfindung ist besonders geeignet für häufig umgeschal
tete Empfänger, wie Suchempfänger oder Empfänger für
Frequenzsprung-Funkverbindungen. Dabei wird ausge
gangen, daß der Pegelsprung von Kanal zu Kanal innerhalb der
Dynamik-Grenzen des A/D-Wandlers (Fig. 1) bleibt.
Die Erfindung ist nachfolgend an bevorzugten Ausführungs
beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch
veranschaulicht. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild der für die Erfindung
wesentlichen Funktionsblöcke eines digitalen
Empfängers;
Fig. 2 die Signalsituation beim Empfang eines Fre
quenzsprungsignals.
In an sich bekannter Weise wird im digitalen Empfänger das
Empfangssignal e(t) in einer Abtast- und Halteschaltung
S/H abgetastet und die (komplexen) Abtastwerte in einem
A/D-Wandler digitalisiert. Die nach Selektion im digitalen
Filter F am Filterausgang zur Verfügung stehenden Werte
sind im folgenden als Abtastwerte des Signals bezeichnet.
Zunächst werden N Abtastwerte auf den Speicher SP ge
schrieben. Nach Abspeicherung des N-ten Wertes ist eine
Mittelwertbildung im Prozessor PR aus diesen N Abtast
werte-Amplituden abgeschlossen. Falls die Abtastwerte
nicht im Bandpaßbereich gebildet wurden, sondern im äqui
valenten Tiefpaßbereich, muß der Betrag berechnet werden
(Betragsbildung aus Sinus- und Cosinuskanal).
Im Bandpaßbereich abgetastete Signalwerte sind bereits als
Betrag vorhanden, da das Vorzeichen bei der Mittelung des
Effektivwertes nicht signifikant ist:
Em mittlerer Effektivwert des Signals
N Zahl der (komplexen) Abtastwerte
Ai Betrag des i-ten (komplexen) Abtastwertes
N Zahl der (komplexen) Abtastwerte
Ai Betrag des i-ten (komplexen) Abtastwertes
Der Regelprozeß besteht nun darin, das zwischengespeicher
te Signal auf einen Effektivwert zu bringen, der nahezu
dem Sollwert eines geregelten Empfänger-Ausgangssignals
entspricht.
Somit wird jeder Signalabtastwert mit dem Quotienten Qm
aus
multipliziert und die Ausgangssignale des Multiplizierers
M an den Demodulator DEM ausgegeben.
Bei Frequenzsprung-Funkverbindungen wird der Empfänger,
gesteuert über ein Empfängerstartsignal in kurzen Zeitab
ständen, umgeschaltet, so daß die Einschwingzeit der Pegel
regelung einen nicht vernachlässigbaren Anteil an der
gesamten Übertragungszeit innerhalb des Empfangsintervalls
zwischen zwei Umschaltungen darstellt.
Fig. 2 zeigt die relative zeitliche Lage eines Empfangssi
gnals bezüglich eines im Empfänger erzeugten Zeitrasters.
Der Umschaltzeitpunkt ist durch das Empfänger-Startsignal
SE gegeben, das aus dem Empfangssignal des vorhergehenden
Empfangs-Intervalls, beispielsweise aus der Lage von
Testfolgen, die der eigentlichen Nachricht in einer Präam
bel vorangestellt sind, zeitlich festgelegt wird. Nach
einer Einstellzeit TE von im Beispiel 7 ms, nach der das
Eintreffen des Signals erwartet wird, wird der Empfänger
freigegeben, d. h. ab diesem Freigabezeitpunkt EF werden
Abtastwerte gebildet. Die Abtastwerte aus den gleichlangen
Zeitabschnitten T₁, T₂, T₃ bilden eine erste, zweite und
dritte Wertegruppe mit jeweils N komplexen Abtastwerten.
Dabei kann für die Zahl N beispielsweise davon ausgegangen
werden, daß sich der mittlere Effektivwert eines Signals
innerhalb von rund 20 Abtastperioden mit einer ausreichen
den Genauigkeit von ± 2 dB bilden läßt. Die Zeitabschnitte
T₁, T₂, T₃ sind unter Berücksichtigung der Abtastfrequenz
entsprechend zu bemessen und sollen im gezeigten Bei
spielsfall 3 ins lang sein (ein binäres Datensignal mit
ca. 3 kHz Bandbreite zugrunde gelegt).
In dem in Fig. 2A skizzierten Fall liegt das Empfangssi
gnal optimal im Zeitraster des Empfängers, so daß der
erste und der zweite mittlere Effektivwert Em1 bzw. Em2
annähernd gleich sind und als gute Basis für die Ableitung
des Regelsignals Q gewonnen werden können.
Der Zeitpunkt, zu dem das Signal im Empfänger erscheint,
ist aber im allgemeinen nicht exakt vorhersagbar, da das
Startsignal SE mit einer Unsicherheit von beispielsweise
± 0,5 ms behaftet ist und die Laufzeit der Übertragungs
strecke für verschiedene Frequenzkanäle und auch zeitlich
um beispielsweise ± 1,5 ms um eine mittlere Laufzeit
schwankt. Bei dem in Fig. 2B skizzierten Fall ist angenom
men, daß sich die beiden genannten Fehlerquellen mit ihrem
maximal zu erwartenden Betrag addieren. Der Regelprozeß
beginnt mit der Bildung eines ersten mittleren Effektiv
werts Em1 während des Zeitabschnitts T₁ und eines zweiten
Mittelwerts Em2 während T₂. Unmittelbar nach der Bestim
mung von Em2 werden Em1 und Em2 verglichen. Liegt der
Unterschied innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfensters
von z. B. ± 3 dB, so werden die zwischengespeicherten
Werte der ersten Wertegruppe mit einem aus Em1 abgeleite
ten Regelsignal Q multipliziert und ausgegeben.
Ist, wie im Fall der Fig. 2B, der Unterschied der beiden
Mittelwerte Em1 und Em2 größer als das vorgegebene Tole
ranzfenster, so werden die zwischengespeicherten Werte der
nicht ausgegeben. Aus N weiteren Werten aus dem Zeitab
schnitt T₃ wird ein weiterer Mittelwert Em3 gebildet und
nunmehr die beiden Werte Em2 und Em3 verglichen. Die
Abtastwerte aus dem Zeitabschnitt T₂ bleiben zwischenge
speichert. Erst wenn der Vergleich ergibt, daß Em2 ≈ Em3
(Abweichung ≦ 3 dB), werden die Abtastwerte aus T₁ und T₂
mit einem aus Em2 abgeleiteten Regelsignal Q multipliziert
und ausgegeben. Das Regelsignal für die nach T₂ genommenen
Abtastwerte kann aus Em3 oder dem Mittelwert aus Em2 und
Em3 abgeleitet werden. Ergibt auch der Vergleich von Em2
und Em3 einen erheblichen Unterschied, so wird ein Fehler
signal generiert.
Den Abschnitten T₂ bzw. T₃ können direkt oder in regelmä
ßigen Abständen weitere, jeweils N Abtastwerte umfassende
Abschnitte folgen, die zur Bildung eines neuen mittleren
Effektivwerts und Ableitung eines neuen Regelsignals
herangezogen werden. Der Übergang zwischen zwei ungleichen
aufeinanderfolgenden Regelsignalen erfolgt nicht abrupt,
sondern bevorzugterweise allmählich über mehrere Abtast
werte.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es damit möglich,
den Einschwingvorgang der Pegelregelung sehr schnell
abzuschließen; im gezeigten Beispielsfall liegt nach
weniger als 9 ms nach Eintreffen des Signals ein innerhalb
einer Pegeltoleranz von ± 3 dB weiter auswertbares Signal
vor.
Das Signal am Ausgang ist in der Amplitude von Anfang an
unverzerrt. Die Auswertung kann den Signalanfang voll
nutzen. Dies ist vor allem wichtig, wenn zu Beginn des
Signals eine Präambel gesendet wird, die zur Signalerken
nung, zur Bit- und Rahmensynchronisation und zur Ermitt
lung der Übertragungseigenschaften des Übertragungswegs
dienen. Wenn die Präambel nicht auswertbar ist, geht auch
der Inhalt der nachfolgenden Nachricht verloren.
Claims (7)
1. Verfahren zur automatischen Pegelregelung eines in
Form digitaler Abtastwerte vorliegenden Empfangssignals,
insbesondere eines binären Datensignals, durch Multiplika
tion der Abtastwerte mit einem digitalen Regelsignal, das
aus dem Vergleich eines mittleren Effektivwerts mit einem
Sollwert abgeleitet wird, wobei
mindestens N aufeinanderfolgende Abtastwerte zwischenge
speichert werden, der mittlere Effektivwert (Em) aus N
zwischengespeicherten Abtastwerten gebildet wird und
die Abtastwerte verzögert nach Ableitung des Regelsignals
aus dem mittleren Effektivwert der Multiplikation unterzo
gen und ausgegeben werden, wobei zu
Beginn eines Empfangsintervalls die ersten 2 N Abtast
werte in zwei Gruppen mit je N Abtastwerten zwischenge
speichert werden, für jede Gruppe ein mittlerer Effek
tivwert (Em1 bzw. Em2) gebildet wird und die beiden
mittleren Effektivwerte miteinander verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
für den Unterschied zwischen den beiden mittleren Effek
tivwerten ein Toleranzfenster vorgegeben ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei Erfüllung des vorgegebenen Toleranzfensters durch die
beiden mittleren Effektivwerte (Em1, Em2) aus dem ersten
Mittelwert (Em1) das digitale Regelsignal abgeleitet wird
und die zwischengespeicherten Abtastwerte ab der ersten
Gruppe mit diesem Regelsignal multipliziert und ausgegeben
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei außerhalb des Toleranzfensters liegendem Unterschied
die Abtastwerte der ersten Gruppe nicht ausgewertet und N
neue Abtastwerte zwischengespeichert werden, daß aus den N
neuen Abtastwerten ein dritter effektiver Mittelwert (Em3)
gebildet und mit dem zweiten Mittelwert verglichen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
bei Erfüllung des Toleranzfensters durch den zweiten und
den dritten Effektivwert das Regelsignal aus dem zweiten
mittleren Effektivwert abgeleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
fortwährend oder in regelmäßigen Abständen neue Mittelwer
te gebildet und zu einem neuen Regelsignal verarbeitet
werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß bei aufeinanderfolgenden, unterschied
lichen mittleren Effektivwerten das Regelsignal allmählich
verändert wird.
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