DE3908942A1

DE3908942A1 - Verfahren zur bestimmung der kanalstossantwort eines uebertragungskanals

Info

Publication number: DE3908942A1
Application number: DE19893908942
Authority: DE
Inventors: Achim Dipl Ing Brakemeier
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Radio Communication Systems GmbH and Co KG
Priority date: 1989-03-18
Filing date: 1989-03-18
Publication date: 1990-09-20
Anticipated expiration: 2009-03-19
Also published as: DE3908942C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Kanalstoßantwort eines Übertragungskanals nach dem Ober begriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus DE 35 40 716 A1 bekannt.

Bei der Datenübertragung über einen verzerrenden Übertra gungskanals sind häufig die aktuellen Eigenschaften des Kanals, die durch die Kanalstoßantwort beschrieben werden können, nicht von vorneherein bekannt. Da zur Entzerrung der Empfangssignale und Rekonstruktion der übertragenen Daten die Kenntnis der Kanalstoßantwort von wesentlicher Bedeutung ist, sind Verfahren zur Bestimmung der Kanalstoßantwort seit langem vielfach beschrieben. Für stark verzerrende Kanäle wie beispielsweise Kurzwellenfunkkanäle werden hierzu häufig Testfolgen übertragen, die empfangsseitig eine relativ genaue Bestimmung der Kanalstoßantwort ermöglichen. Ge bräuchlich hierfür ist, die Empfangssignale nach Quadratur demodulatoren abzutasten und die Abtastwertfolge einer Kor relation mit einem Filter zu unterziehen. Die Testfolgen bestehen vorzugsweise aus einer periodisch wiederholten Pseudo-Rausch-Folge (PN-Folge) und als Filter wird üblicher weise ein Matched-Filter oder ein Mismatched Filter der PN-Folgen eingesetzt. Die Korrelation liefert ungefähre Werte für die Kanalstoßantwort, die in einem weiteren Schritt noch korrigiert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, welches auf vorteilhafte und insbesonders einfach zu realisierende Weise eine genaue Bestimmung der Kanalantwort ermöglicht.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Stützwerte der Kanalstoßantwort durch zyklische Korrelation einschließ lich eine Korrektur vollständig in einer aufwandsarmen rekursiven Vorgehensweise ermittelt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels unter Bezugnahme auf die die Signalverarbeitung anhand einer Blockschaltbildskizze zeigenden Abbildung noch eingehend erläutert.

Zugrunde gelegt sei eine sendeseitig periodisch wiederholte PN-Folge x mit Np binärwertigen Symbolen x _i (i=0, 1 . . . Np-1), die im Symboltakt Ts über den Übertragungskanal ausgesandt werden. Für die gesendete Testfolge s(k) bedeutet die per iodische Wiederholung der PN-Folge x, daß

s(k) = s(k + Np) = x _{k mod Np} (I)

Empfängerseitig steht nach der Abtastung die Abtastwertfolge z(k) zur Verfügung, die eine mit der Kanalstoßantwort h gefaltete Version der Sendefolge s ist. Der Einfluß von Störungen wie z. B. Rauschen ist im folgenden nicht berück sichtigt, da lediglich die Bestimmung der Kanalstoßantwort anschaulich erläutert werden soll.

Für den Beispielfall sei die PN-Folge x = (-1, 1, -1, 1, 1, 1-1), d. h. Np=7 und eine auf drei Symboltakte beschränkte Kanalstoßantwort h=(4, 5, 1), d. h. Nh=3 angenommen. Für die rekursive Erneuerung der Ausgangs signale g(k) zum aktuellen Zeitpunkt (k=K)

g _j(K) = g_j+1 (K-1) + w _Np-1-j · (z(K) - z(K-Np)) + R(g(K-1) (II)

seien die Filterkoeffizienten w _m (m=0, 1, . . . Np-1) nach

mit B = Np + 1-Nh = 5 als konstanten Faktor aus der PN-Folge x = (x₀, x₁ . . . , x _Np-1) abgeleitet. Im gegebenen Beispiel resultiert daraus für die Filterkoeffizienten der Koeffi zientenvektor w = (w₀, w₁, . . . , w _Np-1) = (-4, 6, -4, 6, 6, 6, -4) und für das Korrekturglied R bei

R(K-1) = R(g(K-1) = 1/B (g _Nh(K-1) - g₀(K-1)) (IV)

ergibt sich

R = ¹/₅(g₃(K-1) - g₀(K-1)) (V)

Zur Unterscheidung von einem Matched-Filter und einem Mis matched-Filter zu einer gegebenen binären PN-Folge x, für deren Filterkoeffizienten bekanntlich gilt

kann ein Filter mit Filterkoeffizienten nach (III) als modifiziertes Mismatched Filter bezeichnet werden. Während das Matched-Filter einen hohen Integrationsgewinn mit einem ungünstigen Verhalten der Nebenwerte der Korre lationsfunktion verbindet, erkauft das Mismatched-Filter sich die verschwindenden Nebenwerte der Korrelationsfunktion mit einem stark verringerten Integrationsgewinn von nur rund 50% im Vergleich zum Matched-Filter entsprechend einer relativen Effizienz des Mismatched-Filters von nur rund 0,5. Die neu beschriebenen modifizierten Mismatched-Filter können demgegenüber eine relative Effizienz von annähernd gleich Eins erreichen. Für das als Beispiel gegebenen Filter er rechnet sich ohne Berücksichtigung des Korrekturglieds eine relative Effizienz von ca. 0,96.

Die das Verfahrensprinzip in Blockschaltbildweise darstel lende Abbildung weist am Filtereingang, wo im Symboltakt aufeinanderfolgende Werte der Abtastfolge z angelegt werden, eine Anordnung mit Np=7 Verzögerungsstufen Ve, die jeweils eine Verzögerung um einen Symboltakt Ts bewirken, sowie ein Differenzglied De, welches die Differenz aus aktuell ange legtem Abtastwert z(K) und einem um Np · Ts, also um die Dauer einer vollständigen PN-Folge zeitlich zurückliegenden Ab tastwert z(K - Np) bildet und parallel auf alle Filterstufen des eigentlichen modifizierten Mismatched Filters WF mit den Filterkoeffizienten w₀ bis w₆ führt, wo der aktuelle Dif ferenzwert Δ z(K) = (z(K) - z(K - Np)) mit dem jeweiligen Fil terkoeffizienten gewichtet bzw. multipliziert wird. Zu den so gebildeten Produktwerten wird in Summiergliedern Sr ein für alle Filterstufen gleicher Korrekturwert R(K-1) addiert. Die Ausgänge der einzelnen Filterstufen Va werden zyklisch miteinander verbunden und bei der rekursiven Verarbeitung werden in dem skizziertem Aufbau mit jedem Taktschritt die Ausgangssignale g _j auf die nächstniedrige indizierte Aus gangsstufe verschoben, wobei durch die Rückführung g _Np ≡ g₀ gilt, und dabei um die in den Summiergliedern Sr gebildeten Summen verändert, was durch die Summierglieder Sa darge stellt ist. Die Ausgangssignale g _Nh und g₀ sind in einem weiteren Differenzglied Da zusammengeführt. Aus der bei jedem Taktschritt neu gebildeten Differenz (g _Nh- g₀) wird durch Multiplikation mit einem konstantem Faktor 1/B = 1/(Np + 1 - Nh) = 1/5 ein Korrekturwert gewonnen, der gleich dem Korrekturglied R ist. Der aus dem aktuell vorliegenden Ausgangssignalen gewonnene Korrekturwert wird erst im nächsten Takt wirksam, was durch ein weiteres Ver zögerungsglied Vr zum Ausdruck gebracht wird. Die Ausgangs signale g₀ bis g _Nh-1, im Beispielfall also g₀, g₁, g₂, sind zum Synchronisationszeitpunkt proportional den Stüztwerten der gesuchten Kanalantwort h. Die Kanalantwort h = (h₀, h₁, h₂) kann daher aus den Ausgangssignalen durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor abgeleitet werden. Eine solche Multiplikation mit einem konstanten Faktor kann auch bereits am Eingang des Filters mit den Abtastfolgewerten z(k) oder den Ausgangswerten des Differenzglieds Da vorgenommen (Faktor 1/A in der Figur) oder bei den Filterkoeffizienten berücksichtigt werden, so daß die Ausgangssignale zum Syn chronisationszeitpunkt unmittelbar die Stoßantwort dar stellen.

Der Synchronisationszeitpunkt (oder die Synchronanlage) ist häufig bereits bekannt, insbesondere bei Testfolgen die in regelmäßigen Abständen in eine laufende Datenübertragung eingefügt sind. Bei a priori unbekanntem Synchronisations zeitpunkt kann dieser vorteilhafterweise aus den Ausgangs signalen selbst bestimmt werden. Hierzu kann die Eigenschaft der komprimierten Testfolge, daß bei einer Kanalstoßantwort, die nicht länger als Nh Symboltakte ist, zum Synchronisa tionszeitpunkt im Idealfall die gesamte Testfolgenenergie in den Ausgangssignalen g₀ bis g _Nh-1 konzentriert ist, aus genutzt werden, indem der Energieinhalt dieser Ausgangs signale bei jedem Taktschritt überprüft und das Auftreten eines deutlichen Energiemaximums als Sychronisationszeit punkt angenommen wird. Die übrigen Ausgangssignale g _Nh bis g _Np-1 können in die Bewertung in der Weise einbezogen werden, daß ein Synchronisationspunkt angenommen wird, wenn die Energie in den Ausgangssignalen g₀ bis g _Nh-1 ein Maximum und gleichzeitig die Energie in den übrigen Ausgangssignalen ein Minimum annimmt. Andere Methoden zur Festlegung des Syn chronisationszeitpunktes, z. B. anhand einer Präambel zu Beginn einer Sendung oder zur Rahmensynchronisation analoge Vorgehensweisen sind gleichfalls möglich.

Zu Beginn einer Bestimmung der Stoßantwort durch zyklische Korrelation der Abtastwertfolge mit der Filterfunktion werden alle Eingangssignale in den Verzögerungsstufen Ve, alle Ausgangssignale g sowie die Korrekturwerte r gleich Null gesetzt. Bezüglich der Werte in der Verzögerungskette kann dies als Einführung von zusätzlichen Verlaufswerten z(k) der Abtastertfolge z mit k0 interpretiert werden, die alle gleich Null sind. Ausgehend an einem derart gelöschten Filter werden nacheinander die Abtastwerte z(k) mit k<0 der aus den Empfangssignalen gewonnenen Abtastwertfolge dem Filter zugeführt und in der beschriebenen Weise verarbeitet. Bei den dem Filter zugeführten Abtastwerten kann es sich sowohl um die abgetasten Empfangssignale von Anfang an als auch um Abtastwerte nur aus dem periodischen Teil der Empfangs signale handeln.

Für die als Beispiel genannte FN-Folge und die angenommene Kanalstoßantwort h=(4, 5, 1) ergibt sich im periodischen Teil der Abtastwertfolge ein periodisch wiederholter Abschnitt z ^per = (-8, -2, 0, 0, 8, 10, 2). Wird diese Abtastwertfolge im Filter mit dem Koeffizientensatz w = (-4, 6, -4, 6, 6, 6, -4) in der beschriebenen Weise verarbeitet, ergeben sich im 7. Taktschritt die Ausgangssignale zu g = (160, 200, 40, 0, 0, 0, 0) mit vollständig in den zur Ableitung der Stoßantwort vorge sehenen Ausgangssignalen konzentrierter Energie, wogegen im 6. und im 8. Taktschritt die Energieverteilung demgegenüber deutlich weniger Energie in den Ausgangssignalen g₀ bis g₂ und deutlich mehr Energie in den Ausgangssignalen g₃ bis g₆ aufweist. Der 7. Taktschritt ist demnach ein Synchroni sationspunkt und die Ausgangssignale g₀(7) = 160, g₁(7) = 200, g₂(7) = 40 sind somit proportional den Werten der gesuchten Stoßantwort, was durch Vergleich mit der angenommenen Stoß antwort h = (4, 5, 1) unmittelbar Bestätigung findet. Falls die Testfolge eine Mehrzahl von Perioden der PN-Folge um faßt, liegen damit auch bereits die folgenden Synchroni sationszeitpunkte fest. Dies gilt nicht nur für dieselbe fortgesetzten Testfolge, sondern auch für nach einer zwi schenzeitlichen Datenübertragung zur Aktualisierung der Kanalstoßantwort oder zur Neubestimmung nach einem Kanal wechsel übertragene Testfolgen, soweit das Zeitraster für die Übertragung der Testfolgen festgelegt ist. Durch Ver gleich der bestimmten Werte der Kanalstoßantwort desselben Kanals zu verschiedenen Synchronisationszeitpunkten kann auf eine evtl. vorhandene Doppelverschiebung durch den Über tragungskanal geschlossen und diese bei der Entzerrung der verzerrt empfangenen Daten berücksichtigt werden.

Vorteilhafterweise werden die Empfangssignale mit einer Abtastfrequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der Symbol taktfrequenz beträgt, abgetastet. Wenn die Abtastfrequenz das p-fache (p2) beträgt, so fallen in jedem Symboltakt Ts · p Abtastwerte im Abtasttakt Ta an. Aus der Abtastwert folge z mit Abtastwerten z (n · Ta) werden mehrere Teilfolgen z ^q (mit q=1, . . . , p) gebildet, auf die die Abtastwerte z (n · Ta) zyklisch verteilt werden, so daß jede Teilfolge z ^q aus Abtastwerten z ^q(k) = z ((k-1) · Ts + q · Ta) aufgebaut ist. Die mehreren Teilfolgen sind also gegeneinander um je einen Abtasttakt zeitversetzt und weisen in sich jeweils eine Abtastwertfolge im Symboltakt Ts auf. Die Filterung ist für alle Teilfolgen gleich und alle Teilfolgen haben denselben Symboltaktschritt als Synchronisationszeitpunkt. Die Kanal stoßantwort ergibt sich aus dem in Zeitabstand des Abtasttaktes Ta zusammengesetzten Teilantworten aus den verschiedenen Teilfolgen. Damit ist die Bestimmung einer Kanalstoßantwort möglich, bei der die Abtastwerte nach dem Shannon′schen Ab tasttheorem auseinander liegen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Stoßantwort eines Übertragungs kanals durch Übertragen von Testfolgesignalen aus einer periodisch wiederholten binären Pseudo-Rausch-Folge x mit einer Länge von Np Symbolen x _i (i = 0, 1, . . . Np-1), durch empfängerseitiges Abtasten der übertragenen Signale im Symboltakt (Ts), durch zyklische Korrelation der Abtast wertfolge z mit einem Korrelationsfilter, dessen Np Filter koeffizienten w _m (m = 0, 1, . . . , Np-1) aus der Pseudo-Rausch- Folge x abgeleitet sind und das parallel Np Ausgangssignale g _j (j = 0, 1, . . . , Np-1) bereitstellt, und durch Ableiten von Schätzwerten für die Stoßantwort h mit Nh (Nh Np) Stütz werten h _l (l = 0, 1, . . . , Nh-1) aus den entsprechenden (l=j) Ausgangssignalen g _l des Filters, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Korrelation der Inhalt des Korrelationsfilters auf Null gesetzt wird, daß in zeitlich aufeinanderfolgenden Taktschritten (k · Ts, k ∈ |N) die Ausgangssignale g (K) eines aktuellen Taktzeitschrittes (k=K) aus den Ausgangssignalen g(K-1) des vorhergehenden Taktschrittes (k=K-1) und Abtast werten z(k) der Abtastwertfolge z rekursiv erneuert werden gemäß g _j(K) = g _j+1 (K-1) + w _Np-1-j · (Z(K-Np)) + R(K-1)mit R(K-1) = R(g(K-1) als aus Ausgangssignalen des vorher gehenden Schritts gebildetem und für alle Ausgangssignale g(K) gleichem Korrekturglied, mit j als in Np zyklischem Zählindex, d. h. g _Np ≡ g₀, und mit z(K-Np) = 0 für K Np, und daß zum Synchronisationszeitpunkt der Abtastwertfolge die Schätzwerte für die Stoßantwort h aus den entsprechenden Filterausgangssignalen abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Filterkoeffizienten w _m (m=0, 1 . . . , Np-1) gemäß mit B = Np+1-Nh als konstanten Faktor aus der binären Pseudo- Rausch-Folge x ergeben.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturglied R(K-1) gemäß R(K-1) = R(g(K-1)) = 1/B (g _Nh(K-1) - g₀(K-1))gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzwerte h _j für die Kanalstoß antwort nach und mit A = Np+1 und B = Np+1-Nh aus den Filterausgangs signalen abgeleitet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Korrelation nur Abtastwerte aus dem periodischen Teil der Abtastwertfolge herangezogen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei a priori unbekanntem Synchroni sationszeitpunkt der Energieinhalt in den Ausgangssignalen g _l(k) (l=0, 1, . . ., Nh-1) des Filters überwacht und bei Auf treten eines Maximums des Energieinhalts die Schätzwerte für die Stoßantwort aus den aktuellen Ausgangssignalen g _l abge leitet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfrequenz (1/Ta) ein ganz zahliges (p) Vielfaches der Symboltaktfrequenz (1/Ts) be trägt (Ts = p · Ta) und die aufeinanderfolgenden Abtastwerte auf mehrere zeitlich um je einen Abtasttakt (Ta) versetzt ineinandergeschaltete Teilfolgen (z ^q; q = 1, · p) mit je weils im Symboltakt (Ts) aufeinanderfolgenden Abtastwerten aufgeteilt werden, daß die Teilfolgen jeweils getrennt mit gleichen Filtern korreliert werden, und daß die Stoßantwort h aus dem entsprechenden Ausgangssignalen der Filter zu allen Teilfolgen zusammengesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Vergleich der Ausgangs signale des Filters zu verschiedenen Synchronisationszeit punkten eine evtl. vorhandene Doppelverschiebung des Über tragungskanals ermittelt wird.