DE3925305C2 - Funkempfänger für phasen- bzw. frequenzmodulierte Nachrichtensignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Funkempfänger für phasen- bzw. frequenzmodulierte Nachrichtensignale mit einem ana­ logen Empfängerteil, einem Analog-Digital-Umsetzer und einer Anordnung zur Digital-Signalverarbeitung.

Solche Empfänger werden beispielsweise im künftigen pan­ europäischen Mobilfunksystem eingesetzt. Einen Überblick über dieses geplante Mobilfunksystem gibt beispielsweise der Aufsatz "An overview of the GSM System", Bernhard Mallinder in Conference Proceedings, Digital-Cellular- Radio Conference, S. 1a/1-1a/13, Hagen FRG, October 1988, herausgegeben von Prof. Ludwig Kittel, Fernuniversität Hagen.

Bei diesem Mobilfunksystem werden Sprachsignale in digi­ talisierter Form zusammen mit anderen digitalen Signalen in einem Zeitvielfach-Zugriffs-Verfahren übertragen. Von einem Sender des Mobilfunksystems werden diese Daten mit­ tels einer geeigneten Modulation ausgesandt. Liegen Sen­ der und Empfänger so weit auseinander, daß wegen Reflexi­ onen und Mehrwegeausbreitung auf dem Übertragungsweg das ausgesendete Signal vom Empfänger in mehreren überlager­ ten Signalanteilen mit unterschiedlichen Laufzeiten und Phasenverschiebungen empfangen wird, so ist das empfange­ ne Signal verzerrt. Diese Verzerrungen bewirken, daß die im empfangenen Signal enthaltenen Datensymbole durch vor­ angegangene Datensymbole beeinflußt werden (Nachbarzei­ chenstörungen).

Zur Detektion der ursprünglich gesendeten Datensymbole ist es erforderlich, diese Verzerrungen durch Entzerrung rückgängig zu machen. Hierzu kann beispielsweise ein in dem Aufsatz "Bit synchronization and timing sensitivity in adaptive Viterbi equalizers for narrowband-TDMA digi­ tal mobile radio systems", A. Baier, G. Heinrich, U. Wellens, 38th IEEE Vehicular Technology Conference, Philadelphia, USA, June 15-17, 1988, 5.377-8 beschriebener adaptiver Entzerrer eingesetzt werden. Diesem Entzerrer muß als notwendige Information zur Entzerrung eine den Übertragungsweg kennzeichnende Kanalcharakteristik vorge­ geben werden. Durch Ortsveränderung des Mobilfunkempfän­ gers ändert sich aber fortlaufend der Übertragungsweg zwischen Sender und Empfänger und hierdurch auch die den jeweiligen Übertragungsweg beschreibende Kanalinforma­ tion. Es ist daher vorgesehen, diese Kanalcharakteristik durch eine für jeden Zeitschlitz eigens durchzuführende Kanalvermessung jeweils neu zu ermitteln. Hierzu wird ei­ ne Trainingsdatenfolge mit konstantem Dateninhalt verwen­ det, wobei der Dateninhalt der Trainingsdatenfolge in je­ dem Empfänger gespeichert ist. Jede ausgesendete Daten­ folge enthält in ihrer Mitte diese Trainingsdatenfolge. Ein in jedem Empfänger angeordneter Kanalschätzer schätzt durch Verarbeitung der verzerrt empfangenen Trainingsda­ tenfolge mit der in unverzerrter Form gespeicherten Trai­ ningsdatenfolge eine Kanalimpulsantwort, die dem Entzer­ rer zugeführt wird.

Bei mobilen Funkempfängern, bei denen der Funkempfänger bzw. ein Funksender während des Empfangs einer Ortsverän­ derung unterliegt, treten am Empfängereingang zusätzlich zu den Verzerrungen noch Pegelschwankungen auf. Diese Pe­ gelschwankungen sind hauptsächlich auf zwei verschiedene Ursachen zurückzuführen. Je nach Abstand des Funksenders und Funkempfängers voneinander und den Ausbreitungsbedin­ gungen zwischen Funkempfänger und Funksender ändert sich die Streckendämpfung zwischen diesen beiden Funkgeräten. Hinzu kommen großräumige Abschattungseffekte, beispiels­ weise durch topographische Einflüsse, wie beispielsweise hügeliges Gelände, welche als "Shadowing" bezeichnet wer­ den. Hierdurch muß der Empfänger im Stande sein, eine Eingangsdynamik vom größtmöglichsten Eingangssignal zum kleinstmöglichen Eingangssignal bis zu 100 dB zu verar­ beiten.

Der Streckendämpfung und der Dämpfung durch Shadowing überlagert ist eine als "Fading" bezeichnete schnelle Pe­ geländerung des Eingangssignals. Diese schnellen Pegelän­ derungen werden durch Mehrwegeausbreitung des Funksignals hervorgerufen. Die Pegelminima haben dabei im Mittel ei­ nen Abstand von etwa 1/2 Trägerwellenlänge.

Ein für den Empfang und die Weiterverarbeitung solcher Empfangssignale geeigneter Empfänger ist in dem bereits eingangs erwähnten Aufsatz beschrieben. Das trägerfre­ quente Empfangssignal wird zunächst nach Durchlaufen ei­ ner Eingangsstufe, in welcher das Empfangssignal ver­ stärkt und selektiert wird, mit Hilfe eines Quadraturmi­ schers ins Basisband umgesetzt. Die durch den Quadratur­ mischer erzeugten Quadratursignale I und Q werden abge­ tastet und durch einen A/D-Umsetzer in digitale Werte um­ gesetzt.

Hierdurch kann die weitere daran anschließende Signalver­ arbeitung digital erfolgen. Zur digitalen Signalverarbei­ tung sind die digitalen Abtastwerte einem Kanalschätzer und einem adaptiven Viterbi-Entzerrer zugeführt. Aufgrund einer vom Kanalschätzer geschätzten Kanalimpulsantwort entzerrt der Viterbi-Entzerrer das empfangene Signal und detektiert die dem entzerrten Signal zugeordneten Daten­ bits.

Bei einem solchen Empfänger tritt das Problem auf, daß durch die Dynamik des Eingangs­ signals in der Größenordnung von ungefähr 100 dB der A/D-Umsetzer und die anschlie­ ßende Verarbeitung eine Wortbreite von zwanzig Bit aufweisen müßte, um bei den größten Eingangssignalen nicht zu übersteuern und trotzdem bei den kleinsten zu erwartenden Ein­ gangssignalen noch verwertbare Abtastwerte mit ungefähr drei signifikanten Bitstellen zu liefern. A/D-Umsetzer mit einer Wortlänge von zwanzig Bit sind in der erforderlichen Geschwindigkeit nicht erhältlich.

Aus der nicht vorveröffentlichten EP 0 395 368 A2 ist ein Quadraturphasendemodulator bekannt, der zur Verarbeitung von Eingangssignalen mit großer Amplitudendynamik eine Vorverarbeitungsstufe zur logarithmischen Verarbeitung der Einhüllenden des Eingangs­ signals enthält, welche das Eingangssignal logarithmisch komprimiert, digitalisiert und auf einen von mehreren Werten begrenzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Empfänger der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem trotz Begrenzung des Eingangssignals keine Fehler bei der Weiterver­ arbeitung des Signals auftreten sollen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der analoge Empfängerteil in einem ersten Be­ reich (I) seiner Leistungsübertragungskennlinie eine Dynamikkompression und in einem daran anschließenden zweiten Bereich (II) eine Begrenzung seines Eingangssignals durch­ führt, wobei die Begrenzung des Eingangssignals bei einem Pegelwert einsetzt, der im wesentlichen durch eine direkte Wellenausbreitung zwischen einem Sender und dem Empfänger bestimmt ist.

Der zweite Bereich, in dem anstelle einer Dynamikkompression eine Begrenzung des Ein­ gangssignals des analogen Empfangsteils durchgeführt wird, kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, daß im empfangenen Signal allenfalls Nachbarzeichenstörungen geringer Intensität auffindbar sind. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung setzt die Begrenzung bei einem Pegelwert ein, der im wesentlichen durch eine direkte Wellenaus­ breitung zwischen einem Sender und dem Empfänger bestimmt ist. Der Bereich der direk­ ten Wellenausbreitung kann in einfacher Weise aus der Empfangsfeldstärke abgeleitet wer­ den, in Abhängigkeit des Aufbaus, wobei der Pegel am Eingang des analogen Empfangsteils proportional zu der Empfangsfeldstärke ist. Das Feld der direkten Wellenausbreitung ist hauptsächlich nur im Nahfeld des Senders, d. h. wenn der Abstand des Empfängers zum Sender gering und demgemäß die Empfangsfeldstärke sehr groß ist, anzufinden.

Da die Feldstärke, bis zu der herab eine direkte Wellenausbreitung anzunehmen ist, u. a. von der Sendefrequenz und den Feldbedingungen abhängig ist, muß diese Feldstärke bzw. der dieser Feldstärke zuzuordnende Pegelwert am Eingang des analogen Empfangsteils beispielsweise durch einmalige Feldmessungen oder durch Simulation festgelegt werden.

Die Leistungsübertragungskennlinie kann beispielsweise so gewählt werden, daß der Betrag der Dynamikkompression über den gesamten Verlauf der Kennlinie, in dem eine Dyna­ mikkompression stattfindet, konstant ist. Eine bessere Anpassung an die Signalbedingun­ gen erhält man jedoch dadurch, daß die Leistungsübertragungskennlinie des Empfänger­ teils in dem ersten Bereich einen zumindest annähernd logarithmischen Verlauf aufweist.

Hierdurch ist die Dynamikkompression im oberen Bereich des dynamikkomprimierenden Kennlinienteils größer als in dessen unteren Bereich. Auf diese Weise werden Signale mit hohem Eingangspegel stärker komprimiert als Signale mit kleinem Eingangspegel. Das hat den Vorteil, daß der Umfang der Kompression den Wellenausbreitungsbedingungen ange­ paßt werden kann. Für große Eingangspegel ist zwar schon mit Mehrwegeausbreitung zu rechnen, aber dank der im Verhältnis zu den über Mehrwegeausbreitung empfangenen Eingangssignale überwiegen noch die über die direkte Wellenausbreitung empfangenen Eingangssignale. Dem Entzerrer kann daher ein stärker komprimiertes Signal noch zugemutet werden. Bei kleinen Eingangspegeln, bei denen ausschließlich mit Mehrwegeausbreitung zu rechnen ist, kann dadurch die Dynamikkompression viel geringer gewählt werden, als wenn die Dynamikkompression über den gesamten Bereich des komprimierenden Kennlinienteils konstant ge­ halten würde.

Eine solche Kennlinie läßt sich durch Parallel- und/oder in Reihe-Schaltung von einzelnen Verstärkern mit nichtli­ nearem Übertragungsverhalten realisieren. Auf diese Weise kann eine Übertragungskennlinie als Polygonzug der ein­ zelnen überlappenden Kennlinien zusammengesetzt werden. Eine vorteilhafte Möglichkeit, eine solche Übertragungs­ kennlinie, beispielsweise für einen ZF-Verstärker, zu er­ halten, ist, daß zur Erzielung der Kennlinie mehrere Ver­ stärker zusammengeschaltet sind, die eine Übertragungs­ kennlinie, die in einem ersten linearen Bereich einen Verstärkungsfaktor größer als Eins und in einem daran an­ schließenden zweiten linearen Bereich einen niedrigeren Verstärkungsfaktor, vorzugsweise einen Verstärkungsfaktor gleich Eins, aufweisen. Besonders vorteilhaft ist wegen ihrer Einfachheit eine Ausführungsform, bei der mehrere solcher einzelnen Verstärker mit untereinander gleichen Übertragungskennlinien in Reihe geschaltet werden.

Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Funkempfänger.

Fig. 2 eine Übertragungskennlinie eines ZF-Verstärkers des Funkempfängers.

Fig. 3 einen ZF-Verstärker für Dynamikkompressions-Be­ grenzung aus diskreten Verstärkern aufgebaut.

In Fig. 1 ist ein Nachrichtenübertragungssystem darge­ stellt, bei dem von einem Sender 1 digitale Informatio­ nen b in entsprechend modulierter Form ausgesandt wer­ den. Das ausgesendete Signal wird von einem Funkempfän­ ger 2 empfangen. Der Fall der direkten Wellenausbreitung ist in der Fig. 1 symbolisch durch die ausgezogene Linie zwischen Sender 1 und Empfänger 2 dargestellt, während im Fall der Mehrwegeausbreitung verzögerte Signalanteile, in der Fig. 1 symbolisch durch gestrichelte Übertragungswege dargestellt, zusätzlich am Empfänger eintreffen. In einem Eingangskreis 20 des Funkempfängers 2 wird das empfangene Eingangssignal frequenzselektiert und mittels eines Mi­ schers 21 in eine Zwischenfrequenz umgesetzt. Prinzipiell ist auch die Umsetzung in mehrere Zwischenfrequenzen mög­ lich. An den ZF-Mischer 21 schließt sich ein ZF-Verstär­ ker 22 an, in welchem die bereits beschriebene Leistungs­ übertragungskennlinie realisiert ist. Das vom ZF-Verstär­ ker 22, je nach Eingangspegel entweder komprimiert oder begrenzte Signal, ist einem Basisbandumsetzer 23 zuge­ führt, der daraus zwei Quadraturkomponenten I und Q er­ zeugt. Diese Quadraturkomponenten werden in einem Sample- and Hold-Glied 24 abgetastet und einem Analog-Digital-Um­ setzer 25 zugeführt. Die abgetasteten digitalen Werte des Eingangssignals werden in einem RAM 26 zwischengespei­ chert und sind einem Kanalschätzer 27 und einem Entzer­ rer/Detektor 28 zugeführt.

Im Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde als Verstär­ ker, bei dem die beschriebene Leistungsübertragungskenn­ linie realisiert wurde, der ZF-Verstärker 22 gewählt. Dies erweist sich am zweckmäßigsten, weil bei der ZF-Ver­ stärkung nur noch kleine Bandbreiten zu berücksichtigen sind. Prinzipiell kann jedoch die Leistungsübertragungs­ kennlinie auch im Eingangskreis oder an irgendeiner ande­ ren Stelle vor der Analog-Digital-Umsetzung durchgeführt werden. Es ist prinzipiell auch möglich, eine solche Lei­ stungsübertragungskennlinie dadurch zu erreichen, daß beispielsweise schon im Eingangskreis 20 begrenzt wird und die Dynamikkompression bei mehrfacher ZF-Umsetzung auf die einzelnen ZF-Verstärker verteilt wird.

Im Zusammenhang mit der Festlegung der höchstzulässigen Bitfehlerrate wurde in den GSM-recommondation 05.05, version 3.5.0, TRANSMISSION AND RECEPTION, 1. März 1989, festgelegt, daß zur Bitfehlermessung zwischen einem Pegel von -10 dBm und einem Pegel von -40 dBm von direkter Wel­ lenausbreitung (static condition) ausgegangen wird. Die höchste zu erwartende Eingangsleistung, d. h. bei dem Fall, daß der Empfänger direkt am Sender steht, beträgt nach diesen Empfehlungen also maximal -10 dBm. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde unter Zugrundele­ gung dieser Empfehlungen der Pegel von dem ab aufwärts eine Pegelbegrenzung durchgeführt wird, so gelegt, daß er einem Eingangspegel am Empfänger von -40 dBm entspricht. Bei einer Verstärkung in vor dem ZF-Verstärker liegenden Empfangsstufen ist der Pegel, ab dem die Begrenzung beim ZF-Verstärker einsetzt, entsprechend um den Verstärkungs­ faktor dieser Empfangsstufen zu berichtigen.

In Fig. 2 ist in schematischer Form die gewünschte Lei­ stungsübertragungskennlinie dargestellt. Auf der horizon­ talen Achse ist ein Eingangspegel Pe aufgetragen, der auf die am Eingang des Empfängers 2 auftretenden Pegel bezo­ gen ist. In vertikaler Richtung ist eine Ausgangsspan­ nung Ua des ZF-Verstärkers 22 aufgetragen. In einem er­ sten Bereich I, der sich von etwa -100 dBm bis -40 dBm erstreckt, wird aufgrund der logarithmischen Kennlinie, die wegen der einfach-logarithmischen Darstellung als Ge­ rade erscheint, eine Dynamikkompression durchgeführt.

In dem daran anschließenden zweiten Bereich II der von -40 dBm aufwärts liegt und bei dem die Kennlinie schließ­ lich waagerecht ausläuft, wird jedes Eingangssignal auf eine maximale Ausgangsspannung begrenzt. Durch die ver­ wendete Realisierung des ZF-Verstärkers ist der Übergang zwischen dem annähernd logarithmischen Verlauf der Kenn­ linie im Bereich I und der Übergang auf die waagerecht verlaufende Kennlinie im Bereich II fließend. Da ab -40 dBm aber Verzerrungen des Eingangssignals zulässig sind, und die Begrenzung des Eingangssignals im Prinzip einer Signalverzerrung entspricht, ist dieser Kennlinien­ verlauf nicht weiter störend. Ab -100 dBm läuft die Kenn­ linie wegen der einfach-logarithmischen Darstellung nach links flach aus. Tatsächlich ist die Kennlinie im Be­ reich III linear und es findet keine Dynamikkompression mehr statt. Auch dies ist nicht weiter störend, weil das künftige pan-europäische Mobilfunksystem so geplant ist, daß Eingangsleistungen unter -104 dBm nicht zu erwarten sind. So kleine Eingangsleistungen treten in der Regel nur dann auf, wenn man sich bereits außerhalb des Funkbe­ reichs des Senders befinden würde. In diesem Fall wäre der Empfänger bereits einem anderen Funkbereich zugewie­ sen worden, bei dem der Abstand zu dem neu zugewiesenen Sender geringer ist, so daß wieder eine größere Empfangs­ feldstärke vorliegt.

Im Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der ZF-Verstär­ ker durch Hintereinanderschaltung von sechs einzelnen Verstärkern (IC1...IC6), sogenannten "true log Verstär­ kern" gebildet. Diese Verstärker weisen in einem ersten Eingangsspannungsbereich eine Verstärkung um 10 dB und in einem daran anschließenden Bereich für größere Eingangs­ spannungen eine Verstärkung gleich dem Faktor Eins auf. Ein solcher "true log Verstärker" ist beispielsweise un­ ter der Typenbezeichnung SL531C (Plessey) erhältlich. Durch die in Fig. 3 dargestellte Hintereinanderschaltung von sechs solchen Verstärkern wird eine der Fig. 2 ent­ sprechende Leistungsübertragungskennlinie erzielt.

Besonders vorteilhaft ist es, den beschriebenen ZF-Ver­ stärker 22 mit der beschriebenen Leistungsübertragungs­ kennlinie nicht aus diskreten Bauelementen aufzubauen, sondern in einem einzigen Baustein zu integrieren. Das hat den Vorteil, daß der Platzbedarf für den ZF-Verstär­ ker auf 1/6 begrenzt werden kann.

Claims (4)

1. Funkempfänger für phasen- bzw. frequenzmodulierte Nachrichtensignale mit einem analogen Empfängerteil, einem Analog-Digital-Umsetzer und einer Anordnung zur Digi­ tal-Signalverarbeitung, bei dem der analoge Empfängerteil in einem ersten Bereich (I) seiner Leistungsübertragungskennlinie eine Dynamikkompression und in einem daran anschließenden zweiten Bereich (II) eine Begrenzung seines Eingangssignals durchführt, wobei die Begrenzung des Eingangssignals bei einem Pegelwert einsetzt, der durch eine direkte Wellenausbreitung zwischen einem Sendet und dem Empfänger bestimmt ist.

2. Funkempfänger für phasen- bzw. frequenzmodulierte Nachrichtensignale mit einem analogen Empfängerteil, einem Analog-Digital-Umsetzer und einer Anordnung zur Digi­ tal-Signalverarbeitung, bei dem der analoge Empfängerteil in einem ersten Bereich (I) seiner Leistungsübertragungskennlinie eine Dynamikkompression und in einem daran anschließenden zweiten Bereich (II) eine Begrenzung seines Eingangssignals durchführt, wobei die Leistungsübertragungskennlinie des analogen Empfängerteils in dem ersten Bereich (I) einen zumindest annähernd logarithmischen Verlauf aufweist, bei dem zur Erzielung der Kennlinie mehrere Verstärker (IC1... IC6) zusammengeschaltet sind, die in einem ersten linearen Bereich mit einem Verstärkungsfaktor größer als Eins und in einem daran anschließenden zweiten linearen Bereich einen niedrigeren Verstärkungsfaktor, vorzugsweise einen Verstärkungsfaktor gleich Eins, aufweisen.

3. Funkempfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Verstärker (IC1... IC6) gleiche Übertragungskennlinien aufweisen und in Reihe geschaltet sind.

4. Funkempfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Verstärker (IC1... IC6) sich in einer einzigen integrierten Schaltung befinden.