DE4028322A1 - Improving channel parameter estimate - separating noise inhibited input signal into target magnitude by additional least-squares estimating device, e.g. kalman filter - Google Patents
Improving channel parameter estimate - separating noise inhibited input signal into target magnitude by additional least-squares estimating device, e.g. kalman filterInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung einer Kanalparameterschätzung sowie eine Anordnung zu dessen Durch führung.The invention relates to a method for improving a Channel parameter estimation and an arrangement for its passage guide.
In vielen Bereichen der Technik müssen, wie in Fig. 1 anhand eines vereinfachten, schematischen Blockschaltbildes gezeigt ist, die Parameter eines unbekannten oder teilbekannten Sy stems 11 geschätzt werden, wobei nur die Eingangsgrößen Ik sowie verrauschte Ausgangsdaten zk bekannt sind. Hierbei wird im folgenden unter einem "teilbekannten System" ver standen, daß der momentane Systemzustand unbekannt ist, aber eine Kenntnis der Statistik des Systems vorliegt. Entspre chend einem in Fig. 1 wiedergegebenen, bekannten Lösungsprin zip wird von dem unbekannten oder teilbekannten System 11 eine adaptive Nachbildung 12 geschaffen.In many areas of technology, as shown in FIG. 1 with the aid of a simplified, schematic block diagram, the parameters of an unknown or partially known system 11 must be estimated, only the input variables I k and noisy output data z k being known. Here it is understood in the following under a "partially known system" that the current system status is unknown, but there is a knowledge of the statistics of the system. Correspondingly, a known solution principle shown in FIG. 1, an adaptive simulation 12 is created by the unknown or partially known system 11 .
Auf diese Weise werden als Ausgangsdaten der Nachbildung 12 Schätzwert k erhalten. Diese Schätzwerte k werden von beob achteten Ausgangssignalen zk subtrahiert. Schließlich werden die Koeffizienten der Nachbildung 12 solange verändert, bis ein Fehlersignal ek, das in einem Addierglied 13 durch die Differenz zwischen den Ausgangsdaten zk und den Schätzwerten k gebildet wird, in einer vorherbestimmten Weise, bei spielsweise als quadratischer Fehler u. ä. minimiert wird. Die auf diese Weise berechneten Koeffizienten der Nachbil dung sind die Schätzwerte des Originalsystems.In this way, 12 estimated value k are obtained as the starting data of the simulation. These estimated values k are subtracted from observed output signals z k . Finally, the coefficients of the simulation 12 are changed until an error signal e k , which is formed in an adder 13 by the difference between the output data z k and the estimated values k , in a predetermined manner, for example as a quadratic error u. is minimized. The coefficients of the simulation calculated in this way are the estimates of the original system.
Beispiele für eine derartige Kanalparameterschätzung finden sich in den Bereichen der Signalverarbeitung und Regelungs technik, sowie in der System-Identifikation, der adaptiven Entzerrung, der Echounterdrückung, der Synchronisation (bezüglich der Trägerphase, der Taktphase, der Frequenz, . . .,) der Sprachverarbeitung, der Spektralanalyse usw.Find examples of such a channel parameter estimate deal in the areas of signal processing and control technology, as well as in system identification, adaptive Equalization, echo cancellation, synchronization (regarding the carrier phase, the clock phase, the frequency,...,) speech processing, spectral analysis, etc.
Im folgenden sollen die Koeffizienten eines zeitvarianten, frequenzselektiven Mobilfunkkanals geschätzt werden (siehe hierzu beispielsweise J. G. Proakis, Digital Communications, Singapur: McGraw Hill, 2. Auflage, 1989).In the following, the coefficients of a time variant, frequency-selective mobile radio channel are estimated (see see for example J. G. Proakis, Digital Communications, Singapore: McGraw Hill, 2nd edition, 1989).
Oftmals ist das System, im vorliegenden Fall also der Kanal nicht vollständig unbekannt; vielmehr liegt eine Zusatzin formation vor. Im konkreten Beispiel könnte dies beispiels weise die Fahrzeuggeschwindigkeit v sein, so daß die maxi male Dopplerverschiebung fDmax=v/λ bekannt ist, oder es könnte die maximale, aus der Netzplanung bekannte Echoverzö gerung sein, oder es könnten Kenntnisse aus einer Messung über das Signal/Rauschleistungsverhältnis sein.The system, in this case the channel, is often not completely unknown; rather, there is additional information. In the specific example, this could be, for example, the vehicle speed v, so that the maximum Doppler shift f Dmax = v / λ is known, or it could be the maximum echo delay known from network planning, or it could be knowledge from a measurement of that Signal / noise ratio.
Verfahren, bei welchen Kenntnisse über die Statistik des Ka nals berücksichtigt werden, werden als "parametrische Verfah ren" bezeichnet. Parametrische Verfahren zeichnen sich auf grund der a-priori Kenntnisse durch eine im allgemeinen hö here Leistungsfähigkeit gegenüber nicht-parametrischen Ver fahren aus, d. h. die Schätzfehlerstreuung ist geringer. Nachstehend wird daher davon ausgegangen, daß einige der vorstehend angeführten Zusatzinformationen vorliegen.Procedure in which knowledge of the statistics of the Ka nals are taken into account as "parametric process ren ". Parametric methods stand out due to the a priori knowledge through a generally high Efficiency compared to non-parametric ver drive out, d. H. the estimation error spread is less. Therefore, it is assumed below that some of the additional information mentioned above is available.
Von S. Haykin, Adaptive Filter Theory, Englewood Cliffs, N. J. Prentice-Hall, 1986 sind drei gängige adaptive Schätz verfahren beschrieben, nämlich das "Least Mean Squares"- (LMS-)Verfahren (siehe Kapitel 5 in der vorstehend ange führten Fundstelle oder Kapitel 6.7.2 in der eingangs an geführten Veröffentlichung von J. G. Proakis), das "Least Squares"-(LS-)Verfahren (siehe Kapitel 7ff bei S. Haykin) und das sogenannte Kalman-Verfahren (siehe Kapitel 6 bei S. Haykin oder B. D. O. Anderson, J. B. Moore, Optimal Fil tering, Englewood Cliffs, N. J.: Prentice-Hall, 1979). Dar über hinaus gibt es verschiedene Modifizierungen unf Kom binationen dieser Verfahren sowie die Methode des sogenann ten Korrelationsverfahrens (siehe hierzu beispielsweise G. L. Turin, "Introduction to Spread-Spectrum Antimultipath Techniques and their Application to Urban Digital Radio," Proc. of the IEEE, Band 68, Stn. 328-353 vom März 1980).By S. Haykin, Adaptive Filter Theory, Englewood Cliffs, N. J. Prentice-Hall, 1986 are three common adaptive estimates described the process, namely the "Least Mean Squares" - (LMS) procedure (see Chapter 5 in the above cited reference or chapter 6.7.2 in the introduction published by J.G. Proakis), the "Least Squares "(LS) method (see Chapter 7ff with S. Haykin) and the so-called Kalman method (see Chapter 6 in S. Haykin or B. D. O. Anderson, J.B. Moore, Optimal Fil tering, Englewood Cliffs, N.J .: Prentice-Hall, 1979). Dar there are also various modifications and com combinations of these processes as well as the so-called method correlation method (see here for example G.L. Turin, "Introduction to Spread-Spectrum Antimultipath Techniques and their Application to Urban Digital Radio, " Proc. of the IEEE, volume 68, p. 328-353 of March 1980).
Das vorstehend angeführte konventionelle, nicht-parametri sche LMS-Verfahren ist ein robustes und aufwandgünstiges Verfahren und wird daher oft eingesetzt. Der Hauptnachteil bei diesem LMS-Verfahren besteht jedoch in seiner langen Einschwingdauer (=Akquisitionsdauer), welche außerdem vom momentanen Zustand (der Eigenwert-Verteilung) des Kanals abhängt. Außerdem ist die Schätzfehlerstreuung im eingeschwungenen Zustand größer als beispielsweise bei den sogenannten Kalman-Schätzern. Außerdem degradiert das LMS- Verfahren bei nicht-weißen Eingangsdaten Ik deutlich. Die Akquisitionsdauer kann jedoch etwa halbiert werden, wenn der Rekursionsschritt mehrfach durchlaufen wird.The above-mentioned conventional, non-parametric LMS method is a robust and inexpensive method and is therefore often used. The main disadvantage of this LMS method is its long settling time (= acquisition time), which also depends on the current state (the eigenvalue distribution) of the channel. In addition, the spread of estimation errors in the steady state is larger than, for example, with the so-called Kalman estimators. In addition, the LMS method degrades significantly with non-white input data I k . The acquisition time can, however, be halved if the recursion step is repeated several times.
Das ebenfalls vorstehend angeführte LS-Verfahren besitzt in der Regel eine wesentlich kürzere Akquisitionsdauer; jedoch wird auch bei diesem Verfahren keine Kanalinformation ge nutzt.The LS method also mentioned above has in usually a much shorter acquisition period; however no channel information is also used with this method uses.
Der bei dem ebenfalls angeführten Kalman-Verfahren verwendete (Minimum Varianz) Kalman-Schätzer basiert schließlich auf einem von B. D. O. Anderson und J. B. Moore in der angeführten Literaturstelle angegebenem Zustandsmodell und ist folglich parametrisch. Allerdings führt die direkte Anwendung des Kal man-Schätzers zu einem unpraktikablen Aufwand.The one used in the Kalman process also mentioned (Minimum variance) Kalman estimator is ultimately based on one by B. D. O. Anderson and J. B. Moore in the cited Literature indicated state model and is consequently parametric. However, the direct application of Kal man estimator at an impractical cost.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verbes serung der Kanalparameterschätzung bzw. einer Kanalidentifi kation sowie eine Anordnung zu dessen Durchführung zu schaf fen, bei welchen die Schätzfehlerstreuung sowie die Einschwing dauer gleichermaßen besonders klein sind. Gemäß der Erfin dung ist dies bei einem Verfahren zur Verbesserung der Kanal parameterschätzung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 sowie bei der Anordnung zu dessen Durchführung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Ge genstand der auf Anspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rück bezogenen Unteransprüche.The object of the invention is therefore a method for verbs of the channel parameter estimate or a channel identifier cation and an order to implement it in which the estimation error spread and the transient response are equally small. According to the Erfin This is a method for improving the channel parameter estimation by the characteristics in the characteristic Part of claim 1 and in the arrangement for it Carried out by the features in the characterizing part of the Claim 4 reached. Advantageous further developments are Ge subject of the claim to claim 1 directly or indirectly related subclaims.
Durch die Erfindung ist somit ein parametrisches Verfahren zur Verbesserung der Kanalparameterschätzung geschaffen, bei welchem die Nachbildung vom teilbekannten Originalsystem möglichst wenig abweicht, so daß dadurch die Schätzfehler streuung gering ist. Ferner kann bei dem parametrischen Ver fahren gemäß der Erfindung die Nachbildung in kurzer Zeit von einem beliebigen Ausgangszustand nachgeführt werden. Dies be deutet eine kleine Einschwingdauer des erfindungsgemäßen Ver fahrens. Ferner ist sowohl bei dem erfindungsgemäßen Verfah ren sowie bei der Anordnung zu dessen Durchführung die Güte der Schätzung einstellbar; das bedeutet, ausgehend von einer optimalen Lösung können gemäß der Erfindung aufwandgünstige Verfahren abgeleitet werden.The invention thus makes a parametric method created to improve channel parameter estimation at which is the replica of the partially known original system deviates as little as possible, so that the estimation errors scatter is low. Furthermore, with the parametric ver drive the replica in a short time according to the invention can be tracked to any initial state. This be indicates a short settling time of the Ver according to the invention driving. Furthermore, both in the inventive method ren as well as the quality in the arrangement for its implementation the estimate adjustable; that means starting from one optimal solution can be inexpensive according to the invention Procedures are derived.
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt damit eine deutlich verbesserte Akquisitionsdauer und im eingeschwungenen Zu stand eine äußerst niedrige Kanalfehlerstreuung. Obendrein ist bei nicht-weißen Eingangsdaten eine deutlich verbesserte Leistungsfähigkeit zu erwarten.The method according to the invention thus clearly has a improved acquisition duration and in the steady Zu there was an extremely low channel error spread. On top of that is a significantly improved one for non-white input data Performance expected.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Aus führungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnun gen im einzelnen erläutert. Es zeigt The invention based on a preferred Aus management form with reference to the drawing gene explained in detail. It shows
Fig. 1 schematisch in Form eines Blockschaltbildes einer herkömmlichen Anordnung zur Parameterschätzung; . Figure 1 shows schematically in the form of a block diagram of a conventional arrangement for parameter estimation;
Fig. 2 ebenfalls schematisch in Form eines Blockschalt bildes eine bevorzugte Ausführungsform einer An ordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 2 also schematically in the form of a block diagram, a preferred embodiment of an arrangement for performing the method according to the invention;
Fig. 3 eine Skizze eines zeitlichen Nachlaufs eines Koeffizienten des Systems sowie dessen vorläufige Nachbildung und Fig. 3 is a sketch of a time lag of a coefficient of the system and its preliminary simulation and
Fig. 4 in Form von Graphen eine Gegenüberstellung von Schätzfehlerstreuungen nach dem bekannten LMS/ Kalman-Verfahren und dem erfindungsgemäßen Verfahren. Fig. 4 in the form of graphs a comparison of estimation error scatter according to the known LMS / Kalman method and the inventive method.
Das zu untersuchende unbekannte bzw. teilbekannte System soll im vorliegenden Fall ein frequenzselektiver, zeit varianter Kanal sein, welcher beispielsweise durch ein Transversalfilter mit (L+1) Koeffizienten fk (l) mit 0lL darstellbar ist. Somit lautet dann das Ausgangs signal des Systems:In the present case, the unknown or partially known system to be examined should be a frequency-selective, time-variant channel, which can be represented, for example, by a transversal filter with (L + 1) coefficients f k (l) with 0lL. The output signal of the system is:
wobei ηk eine weiße, mittelwertfreie, gaußsche Rauschstö rung ist, und der Index k zeitliche Veränderungen beschreibt. Wie bereits in Verbindung mit der Anordnung nach Fig. 1 aus geführt ist, sind die Eingangsdaten Ik sowie die Ausgangsda ten zk gegeben, während die Koeffizienten fk (l) (0lL) gesucht sind. Hierbei sind alle Größen komplexwertig.where η k is a white, mean-free, Gaussian noise disturbance, and the index k describes changes over time. As already stated in connection with the arrangement according to FIG. 1, the input data I k and the output data z k are given, while the coefficients f k (l) (0lL) are sought. Here, all sizes are complex.
Gemäß der Erfindung weist eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbesserung der Ka nalparameterschätzung, wie aus der schematischen Darstellung der Fig. 2 zu ersehen ist, einen LS-Schätzer 2, sowie diesem nachgeordneten Kalman-Filter 3-0 bis 3-L auf. Mittels des LS- Schätzers 2 werden aus der Beobachtung der verrauschten Emp fangsdaten zk vorläufige Schätzwerte k (l) mit 0lL berechnet. Das Einstellkriterium ist (zeitlich gesehen) die Minimierung der Summe der quadratischen Differenzen |ek|² zwischen den Empfangsdaten zk und den Schätzwerten k. Es kann nunmehr gezeigt werden, daß die Schätzwerte k (l) unter den genannten Voraussetzungen erwartungsgetreu sind; folglich giltAccording to the invention, an arrangement for carrying out the method according to the invention for improving the channel parameter estimate, as can be seen from the schematic illustration in FIG. 2, has an LS estimator 2 and this Kalman filter 3 -0 to 3 -L . By means of the LS estimator 2 , preliminary observations k (l) with 0lL are calculated from the observation of the noisy reception data z k . The setting criterion is (in terms of time) the minimization of the sum of the quadratic differences | e k | ² between the received data z k and the estimated values k . It can now be shown that the estimated values k (l) are true to expectations under the above conditions; therefore applies
k (l) = fk (l) + ηk (l); 0lL, (2) k (l) = f k (l) + η k (l) ; 0lL, (2)
mit mittelwertfreien Rauschwerten ηk (l). Die Varianz die ser Rauschwerte hängt von der Schnelligkeit der Kanalän derungen, dem Kanalrauschen, der Energieverteilung der Ka nalechos und von der effektiven Länge des Beobachtungsinter valls ab.with mean-free noise values η k (l) . The variance of these noise values depends on the speed of the channel changes, the channel noise, the energy distribution of the channel echoes and the effective length of the observation interval.
In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf eines Koeffizienten fk (o) des Systems und dessen vorläufige Nachbildung k (o) skiz ziert, wobei mit ⚫ Re {fk (o)} und mit o Re {k (o)} be zeichnet sind.In FIG. 3, the time course is a coefficient f k (o) of the system and its provisional replica k (o) skiz sheet, eluting with ⚫ Re {f k (o)} and o Re {k (o)} be are drawn.
Es sind verschiedene LS-Lösungsansätze bekannt, wie bei spielsweise eine Lösung der deterministischen Normalgleichung, ein rekursives LS-Verfahren (RLS), ein Lattice Verfahren, usw. Die Lösungsansätze unterscheiden sich hinsichtlich der Vorfilterung, der Stabilität und des Aufwandes. Zu be achten ist jedoch, daß das Verfahren durch direktes Lösen des Gleichungssystems bei kurzen bekannten Sequenzlängen (kurzen Trainingsfolgen) mit Hilfe einer Tabelle sehr effi zient gelöst werden kann. Die verschiedenen Lösungen sind jedoch nicht Gegenstand der vorstehenden Untersuchungen.Various LS solutions are known, as in for example a solution of the deterministic normal equation, a recursive LS procedure (RLS), a lattice procedure, etc. The approaches differ in terms of pre-filtering, stability and effort. To be However, it is important to ensure that the method is achieved by direct dissolution of the system of equations for short known sequence lengths (short training sequences) with the help of a table very effi can be solved efficiently. The different solutions are however not the subject of the above investigations.
Bei herkömmlichen LS-Realisierungen stellen die Koeffizien ten k (l) das Endergebnis dar. Es ist jedoch schnell zu er kennen, daß das Ergebnis nicht optimal sein kann, das bis lang keine Information über den Kanal verwendet wurde. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden daher die Koeffi zienten k (l) nachgefiltert, wobei die vorstehend erwähnten a-priori Kenntnisse einfließen. Im Hinblick auf Fig. 3 be deutet dies, daß eine Ausgleichskurve durch die Koeffizienten k (o) gelegt wird.In conventional LS implementations, the coefficients k (l) represent the end result. However, it can quickly be seen that the result cannot be optimal because no information about the channel has been used until now. In the method according to the invention, the coefficients k (l) are therefore filtered again, the aforementioned a priori knowledge being incorporated. With regard to Fig. 3 be this means that a compensation curve is placed by the coefficients k (o) .
Unter den verschiedenen möglichen Ausführungsformen werden nachstehend mehrere Ausführungsmöglichkeiten angegeben.Among the various possible embodiments several options are given below.
Die optimal lineare Nachfilterung erfolgt über (L+1) (Minimum Varianz-) Kalmanfilter, wenn die Zusatzinformation bekannt ist. Auf diese Weise kann die Dopplerverschiebung, die Echoverteilung und das Signal/Rauschleistungsverhältnis berücksichtigt werden.The optimal linear post-filtering takes place via (L + 1) (Minimum variance) Kalman filter if the additional information is known. In this way, the Doppler shift, the echo distribution and the signal / noise ratio be taken into account.
Das sogenannte erweiterte Kalmanfilter bietet die Möglich keit, die benötigte Zusatzinformation zu schätzen (siehe neben B. D. O. Anderson und J. B. Moore an der vorstehend an geführten Stelle auch noch A. Aghamohammadi, H. Meyr, G. Ascheid, "Adaptive Synchronisation and Channel Parameter Estimation using an Extended Kalman Filter", IEEE Trans. on Comm., Band COM-37, Nr. 11, Stn. 1212 bis 1219, November 1989).The so-called extended Kalman filter offers the possibility ability to estimate the additional information required (see alongside B. D. O. Anderson and J. B. Moore on the above A. Aghamohammadi, H. Meyr, G. Ascheid, "Adaptive Synchronization and Channel Parameters Estimation using an Extended Kalman Filter ", IEEE Trans. On Comm., Volume COM-37, No. 11, stn. 1212 to 1219, November 1989).
Denkbar ist aber auch, beispielsweise nur die Dopplerfrequenz zu berücksichtigen. Dies kann dann über ein festes Tiefpaß filter mit einer Grenzfrequenz erfolgen, welche der maximalen Dopplerfrequenz fDmax entspricht oder kann über ein variab les Tiefpaßfilter entsprechend der momentanen Dopplerfre quenz durchgeführt werden.It is also conceivable, for example, to only consider the Doppler frequency. This can then be done via a fixed low-pass filter with a cut-off frequency which corresponds to the maximum Doppler frequency f Dmax or can be carried out via a variable low-pass filter according to the current Doppler frequency.
Die in Fig. 2 wiedergegebene sogenannte LS/Kalman-Struktur entspricht also einer "open-loop"-Struktur, wobei der LS- Schätzer 2 als Zusatzeinrichtung fungiert, um die Koeffi zienten zu trennen und einzeln dem jeweiligen Kalman-Nach filter 3-0 bis 3-L zuzuführen. Hierbei können die (L+1) Kalman-Nachfilter 3-0 bis 3-L unabhängig oder abhängig von einander eingestellt werden; hierbei ist im ersten Fall der Aufwand geringer, während im zweiten Fall etwaige Korrela tionen zwischen den Koeffizienten fk (l) berücksichtigt wer den. Ferner hat sich die Verwendung von Filter 2. Ordnung für die wenigen (im Mittel) energiereichen Koeffizienten als vorteilhaft herausgestellt, während für die restlichen Koeffizienten Filter 1. Ordnung ausreichen. Vorteilhaft hier bei ist, daß aufgrund der "open-loop"-Struktur bei der Nachfilterung keine Prädikation ("time-update") durchgeführt werden muß, sondern eine Filterung ("measurement-update") oder gar eine Glättung ("smoothing") durchgefhrt werden kann.The so-called LS / Kalman structure shown in FIG. 2 thus corresponds to an "open-loop" structure, the LS estimator 2 acting as an additional device to separate the coefficients and individually the respective Kalman after filter 3 -0 to supply 3 -L. Here, the (L + 1) Kalman post-filters 3 -0 to 3 -L can be set independently or depending on each other; Here, the effort is less in the first case, while in the second case any correlations between the coefficients f k (l) are taken into account. Furthermore, the use of second-order filters has proven to be advantageous for the few (on average) high-energy coefficients, while first-order filters are sufficient for the remaining coefficients. The advantage here is that due to the "open-loop" structure, no predication ("time update") has to be carried out during post-filtering, but rather filtering ("measurement update") or even smoothing ("smoothing") can be carried out.
Die Vorteile gegenüber den bisher bekannten Lösungen sind
folgende:
Die Akquisitionsdauer wird maßgeblich von dem LS-Schätzer 2
bestimmt und ist deshalb sehr gering und unabhängig vom Ka
nalzustand. Dadurch kann beispielsweise die Länge der benö
tigten Trainingsfolge verkürzt werden, wodurch die Redun
danz verkleinert wird.The advantages over the previously known solutions are as follows:
The acquisition duration is largely determined by the LS estimator 2 and is therefore very short and independent of the channel state. As a result, the length of the required training sequence can be shortened, for example, which reduces the redundancy.
Die stationäre Schätzfehlerstreuung ist sehr gering, weil a-priori Kenntnisse mit verarbeitet werden. Auch entfällt bei der Erfindung die gegenseitige Beeinflussung der ein zelnen Koeffizienten; folglich kann eine bessere Schätzfeh lerstreuung im eingeschwungenen Zustand erreicht werden. Die Folge hiervon ist, daß ein höhere Fahrzeuggeschwindigkeit und/Trägerfrequenz zur gleichen Schätzfehlerstreuung führt. Ferner ist zu erwarten, daß nicht-weiße Eingangsdaten zu weniger starken Degradationen führen.The stationary estimation error spread is very low because prior knowledge with be processed. Also dropped in the invention, the mutual influence of one individual coefficients; consequently, a better estimate can be made scatter can be achieved in the steady state. The The consequence of this is that a higher vehicle speed and / carrier frequency leads to the same estimation error spread. It is also expected that non-white input data will be too lead to less severe degradations.
Ferner arbeitet das Verfahren rückkopplungsfrei; damit ent fällt das Risiko gegenüber Fehleinstellungen der Kalman- Nachfilter. Auch arbeitet das Verfahren zeitstabil.Furthermore, the method works without feedback; ent the risk of incorrect settings of the Kalman Post filter. The process is also time-stable.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden (L+1) Kalman- Filter 3-0 bis 3-L niedriger Dimension verwendet, beispiels weise der Ordnung von 1 oder 2. Diese Filter sind jedoch sehr viel einfacher zu handhaben, als ein Filter der Ordnung (L+1) oder 2 (L+1).In the method according to the invention (L + 1) Kalman filters 3 -0 to 3 -L of lower dimension are used, for example of the order of 1 or 2. However, these filters are much easier to handle than a filter of the order (L +1) or 2 (L + 1).
Obendrein arbeitet das Verfahren bei einer beliebigen Koeffizientenzahl zufriedenstellend.On top of that, the process works on any one Satisfactory coefficient number.
Gegenüber dem herkömmlichen LS-Verfahren (siehe beispiels weise J. Haykin, an der eingangs angeführten Stelle) kann aufgrund der Nachfilterung die effektive Beobachtungsdauer mittels des LS-Schätzers verkleinert werden. Deshalb werden auch Kanaländerungen schneller verarbeitet.Compared to the conventional LS process (see example wise J. Haykin, at the point mentioned at the beginning) the effective observation duration due to the post-filtering can be reduced using the LS estimator. Therefore be also channel changes processed faster.
In Fig. 4 sind Simulationsergebnisse für verschiedene bekann te Verfahren im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen Verfah ren dargestellt. Hierbei ist jeweils eine Lernkurve, welche einer schargemittelten Schätzfehlerstreuung entspricht, über der diskreten Zeit k aufgetragen. Simuliert wurde ein fre quenzselektiver Mobilfunkkanal mit Echoverzögerungen bis zu 85 µs. Ein solcher Kanal wurde im Rahmen des DAB EUREKA-Pro jekts EU 147 spezifiziert und gilt für ungünstige Ausbrei tungsbedingungen im Bergland bei konventioneller Netzplanung mit dem derzeitigen Rundfunksendernetz. Das gewählte Modu lationsverfahren war eine Offset-Vierphasenmodulation (Qua drature Phase Shift Keying (QPSK)) mit Nyquistfilterung (mit cosinusförmigem Rolloff, r=0,4). Das mittlere Signal/Rausch leistungsverhältnis betrug s/NO=10 dB; die maximale Dop plerfrequenz betrug fDmax=200 Hz, was bei einer Trägerfre quenz von 900 Mhz einer Fahrgeschwindigkeit von 240 km/h entspricht. Die Symboldauer (Bitdauer) betrug 30 µs (15 µs), d. h. es verschmieren etwa 8 Bits (L=7), wenn auch die Pulsformung berücksichtigt wird.In FIG. 4 Simulation results for various well-te method compared to the present invention are illustrated procedural ren. In this case, a learning curve, which corresponds to a sharply averaged estimation error scatter, is plotted over the discrete time k. A frequency-selective mobile radio channel with echo delays of up to 85 µs was simulated. Such a channel was specified as part of the DAB EUREKA project EU 147 and applies to unfavorable propagation conditions in mountainous areas with conventional network planning using the current broadcasting network. The chosen modulation method was an offset four-phase modulation (Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)) with Nyquist filtering (with cosine-shaped rolloff, r = 0.4). The average signal / noise ratio was s / N O = 10 dB; the maximum Doppler frequency was f Dmax = 200 Hz, which corresponds to a driving speed of 240 km / h at a carrier frequency of 900 MHz. The symbol duration (bit duration) was 30 µs (15 µs), ie about 8 bits (L = 7) smear if the pulse shaping is also taken into account.
Wenn das Rauschen null wäre, könnte der Kanal in (2L +1) =15 Bittakten exakt ausgemessen werden; zunächst werden L=7 Bits benötigt, um die Speicherbelegung in einem de finierten Anfangszustand zu bringen; nach zusätzlichen (L+1)=8 Bittakten liegt ein Gleichungssystem mit (L+1) Gleichungen für die (L+1) Unbekannten vor. Diese theoretische Grenze ist in Fig. 4 als vertikale Linie ein gezeichnet.If the noise were zero, the channel could be measured exactly in (2L +1) = 15 bit clocks; initially L = 7 bits are required to bring the memory allocation into a defined initial state; after additional (L + 1) = 8 bit clocks, an equation system with (L + 1) equations is available for the (L + 1) unknowns. This theoretical limit is drawn in Fig. 4 as a vertical line.
Die oberste Kurve gilt für den Fall eines kombinierten LMS/ Kalman-Schätzers mit (L+1)=8 Teilfiltern erster Ordnung, wobei nur eine einfache Rekursion ausgeführt wird. Zu be achten ist, daß dieser Fall bereits eine kleiner Schätzfeh lerstreuung als das konventionelle eingangs anhand von Fig. 1 behandelte nichtparametrische LMS-Verfahren aufweist.The top curve applies to the case of a combined LMS / Kalman estimator with (L + 1) = 8 first order sub-filters, whereby only a simple recursion is carried out. It should be noted that this case already has a small spread of estimation errors than the conventional nonparametric LMS method treated at the beginning with reference to FIG. 1.
Die weiteren Kurven gelten für die Fälle, daß die LMS-Re kursion hin- und rückwärts zweimal hin- und rückwärts, sowie beliebig oft hin- und rückwärts durchgeführt wird. Die Ein schwingdauer reduziert sich dann von ca. 40 Bittakten auf ca. 20 Takte. Hinzu kommt jedoch die Zeitdauer von L=7 Takten, bis die Speicherbelegung eingeschwungen ist; dies ist dadurch berücksichtigt, daß die Abszisse um diesen Wert verschoben ist.The other curves apply in the event that the LMS-Re course back and forth twice back and forth, as well is carried out back and forth as often as required. The one The oscillation period is then reduced from approx. 40 bit cycles approx. 20 bars. In addition, however, there is the duration of L = 7 Clocking until the memory allocation has settled; this is taken into account that the abscissa around this value is moved.
Die unterste Kurve zeigt schließlich die Simulationsergeb nisse für das erfindungsgemäße Verfahren bei gleichen Para metern, wobei das Verfahren mit der in Fig. 2 dargestell ten Anordnung aus einem LS-Schätzer 2 und nachgeordneten Kalman-Filtern 3-l bis 3-L durchgeführt ist. In dieser Aus führungsform wird der LS-Schätzer 2 in der direkten Aus führungsform ausgeführt (siehe S. Haykin in der eingangs an geführten Stelle). Die (L+1)=8 Nachfilter waren Filter 1. Ordnung; dies entspricht dem Fall von Teilfiltern 1. Ordnung beim oben angeführten LMS/Kalman-Verfahren. Wie zu erkennen ist, ist die Akquisitionsdauer nochmals reduziert, und zwar auf etwa 5 Bittakte (plus die (2L+1)=15 Takte, bis genügend Gleichungen vorliegen).The bottom curve finally shows the simulation results for the method according to the invention with the same parameters, the method being carried out with the arrangement shown in FIG. 2 consisting of an LS estimator 2 and downstream Kalman filters 3 -l to 3 -L. In this embodiment, the LS estimator 2 is executed in the direct embodiment (see S. Haykin in the place mentioned at the beginning). The (L + 1) = 8 post-filters were 1st order filters; this corresponds to the case of partial filters 1 . Order in the LMS / Kalman procedure mentioned above. As can be seen, the acquisition time is reduced again, to about 5 bit clocks (plus the (2L + 1) = 15 clocks until enough equations are available).
Übertragen auf das zukünftige pan-europäische Mobilfunk system GSM (Group Sp´ciale Mobile) mit einer maximalen Echoverzögerung von 20 µs in einer Bitdauer von 3,7 µs be deutet dieses Ergebnis, daß der GSM-Kanal in etwa 13 Takten ausgemessen werden kann. Bislang wird ein Korrelationsver fahren (siehe G. L. Turin an der eingangs angeführten Stelle) benutzt und dazu werden 26 Bittakte benötigt. Ferner ist eine kleinere Fehlerschätzstreuung im eingeschwungenen Zu stand zu erkennen, weil die Beeinflussung der Koeffizienten entfällt.Transferred to future pan-European mobile communications system GSM (Group Sp´ciale Mobile) with a maximum Echo delay of 20 µs in a bit duration of 3.7 µs be this result indicates that the GSM channel in about 13 clocks can be measured. So far, a correlation ver drive (see G.L. Turin at the point mentioned above) used and 26 bit clocks are required for this. Furthermore is a smaller spread of error estimates in the steady Zu stood recognizable because influencing the coefficients not applicable.
Durch die Wahl von nachgeschalteten Filtern höherer Ordnung kann die eingeschwungene Schätzfehlerstreuung noch weiter reduziert werden. Ferner kann die Akquisitionsdauer noch dadurch weiter verringert werden, wenn die Eingangsdaten gefenstert und gewichtet werden.By choosing downstream higher-order filters the steady spread of estimation errors can be further increased be reduced. Furthermore, the acquisition period can still thereby further reduced when the input data windowed and weighted.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf den eingangs bereits angeführten Gebiet, nämlich bei der System-Identifikation, beispielsweise einer Kanalparameter schätzung, der adaptiven Entzerrung, der Echounterdrückung, der Synchronisation (hinsichtlich der Trägerphase, Frequenz, der Taktphase . . .), der Sprachverarbeitung, der Spektralana lyse usw. Anwendung finden. Ein weiterer sehr wichtiger An wendungsfall ist die Kanalvermessung während der Trainings phase im sogenannten GSM-Empfänger.Furthermore, the method according to the invention can also be applied to the area already mentioned, namely at the System identification, for example a channel parameter estimation, adaptive equalization, echo cancellation, synchronization (with regard to the carrier phase, frequency, the clock phase. . .), speech processing, spectralana lysis etc. apply. Another very important thing The application is channel measurement during training phase in the so-called GSM receiver.
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