DE4130864C2 - Digitales Nachrichtenübertragungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein digitales Nachrichtenübertra­ gungssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei derartigen Nachrichtenübertragungen, insbesondere über Kurzwellenverbindungen erleiden die Signale auf dem Über­ tragungsweg Störungen, z. B. in Form von Frequenzverschie­ bungen zwischen Sender und Empfänger, Mehrwegeausbreitung usw. Die Störungen der Signale können durch eine Kanal­ stoßantwort beschrieben werden, die aber a priori nicht bekannt ist. Zur empfängerseitigen Ermittlung der Parame­ ter der Nachrichtenverbindung werden in Signalen soge­ nannte Präambeln mit übertragen, deren Symbolfolgen fest­ gelegt und auch empfängerseitig bekannt sind. Im Empfänger werden z. B. unter Verwendung von Korrelationstechniken aus den Testfolgensignalen Kanalparameter bestimmt und Entzer­ rerfilter danach eingestellt.

Bekannt ist z. B., die Empfangssignale durch Umsetzen mit mehreren unterschiedlichen Überlagerungsfrequenzen mit ei­ nem gegenseitigen Frequenzversatz von beispielsweise 50 Hz auf mehrere Dopplerkanäle zu verteilen und in jedem Dopp­ lerkanal die Signale über ein Korrelationsfilter, bei­ spielsweise ein Matched-Filter zu leiten. Die mehreren Zeitfolgen an den Ausgängen der Korrelationsfilter bilden eine zweidimensionale Suchfunktion mit der Zeit und der Dopplerfrequenz als unabhängigen Variablen. Durch Schwell­ wertsetzung für die Suchfunktion können zu einem oder meh­ reren herausragenden Funktionswerten jeweils eine Doppler­ frequenz und ein Synchronisationszeitpunkt bestimmt und für die weitere Signalverarbeitung herangezogen werden. Da i.a. die tatsächliche Dopplerfrequenz des Empfangssignals nicht genau mit einer der Dopplerkanalfrequenzen zusam­ menfällt, können unterschiedliche Übertragungseigenschaf­ ten der verschiedenen Kanäle zu Synchronisationsfehlern führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art an­ zugeben, welches bessere Synchronisationseigenschaften be­ sitzt.

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

Durch die erfindungsgemäße Integration in Frequenzrichtung wird die Erkennung eines Synchronisationszeitpunktes weit­ gehend kanalunabhängig und die Gefahr von Synchronisati­ onsfehlern damit geringer. Vorzugsweise enthält die Präam­ bel einer Sendung als Testfolgen periodisch fortgesetzte Pseudo-Noise (PN)-Folgen. Die Periodenlänge dieser Folgen als ganzzahliges Vielfaches N_p der Symboldauer T_s dient dann als Maß für die Größe des Integrationsintervalls, das mindestens zu 2/(N_p.T_s) gewählt wird.

Vorteilhaft für die Gewinnung der Suchfunktion ist der Einsatz einer diskreten Fourier-Transformation. Die Ablei­ tung eines Synchronisationszeitpunkts erfolgt vorzugsweise in zu bekannten Verfahren analoger Weise, indem die inte­ grale Suchfunktion einem Schwellwertvergleich unterworfen wird, wobei Übertragungswegen mit Mehrwegeausbreitung noch eine vorhergehende Integration in Zeitrichtung vorteilhaft ist.

Die Erfindung ist nachfolgend an einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel noch eingehend erläutert.

In der Präambel sei eine periodisch fortgesetzte Pseu­ do-Noise-Folge mit einer Periodenlänge von N_p Symboldauern T_s vorgesehen. Die periodische Fortsetzung der PN-Folge in der Präambel führt bei der Präambelsuche dazu, daß die zweidimensionale Suchfunktion z(t,β) mit t als Zeit- und β als Dopplerfrequenz-Variable periodisch in β ist mit der Periode 2π/T_s. Diese Periodizität im Frequenzbereich er­ möglicht den vorteilhaften Einsatz einer diskreten Fou­ riertransformation zur Gewinnung der Suchfunktion z(t,β) Hierzu wird das Empfangssignal g(t) in festen Zeitabstän­ den T_s abgetastet und mittels eines Satzes von N_p Wich­ tungskoeffizienten y(k), k = 0, 1, 2, . . ., N_p-1 in erste Zeitfolgen

W_t(k) = y(k).g(t-k.T_s)

umgesetzt. Diese ersten Folgen bilden die Eingangssignale für eine inverse diskrete Fouriertransformation der Länge Nf mittels welcher die transformierten Folgen

erzeugt werden, aus welchen nach Phasenkorrektur

z'_t(n) = Nf.e^-jβn^t.z_t(n)

mit

die Suchfunktion z(t,β) als Gesamtheit aller Folgen z'_t(n) entsteht. Die Suchfunktion besitzt Funktionswerte für diskrete Zeit­ punkte im Abstand T_s und diskrete Dopplerfrequenzlinien im Abstand 2π/(Nf.T_s). Die Suchfunktion kann auch als Fal­ tung der Kanalstoßantwort mit der Kreuzambiquity-Funktion aus Testfolge und Koeffizientenfolge dargestellt werden.

Die Suchfunktion weist bei Vorliegen eines Synchronisati­ onszeitpunktes, d. h. beim Auftreten der gesuchten Präambel im Empfangssignal, für die Einpfad-Ausbreitung einen Hauptimpuls auf, der nur eine geringe Ausdehnung von 2 T_s in Zeitrichtung und 2/(N_p.T_s) in Frequenzrichtung zeigt.

Fast die gesamte Energie, die in einer Periode des Ein­ gangssignals steckt, wird im Hauptimpuls der Suchfunktion konzentriert. Die Dopplerfrequenz des Empfangssignals liegt im allgemeinen nicht unmittelbar auf einer der Dopp­ lerfrequenzlinien der DFT^-1 bzw. einer der Dopplerkanalfrequenzen bei dopplerkanalgetrennter Verar­ beitung. Bei Schwellwertsetzung für die Suchfunktion bzw. deren werteweisem Betragsquadrat wird daher u.U. ein Synchronisationszeitpunkt nicht erkannt oder ein niedri­ geres, durch Störungen verursachtes Nebenmaximum wird fälschlicherweise als ein Hauptimpuls interpretiert. Durch Integration über ein Frequenzintervall, das größer als oder vorzugsweise annähernd gleich der Ausdehnung des Hauptimpulses ist, kann in der so gebildeten integralen Suchfunktion die Energie wieder an einer Stelle konzen­ triert und z. B. durch Schwellwertsetzung als Hauptimpuls erkannt werden. Bei Übertragungskanälen mit Mehrwegeaus­ breitung verteilt sich die beim Einpfad-Kanal im Hauptim­ puls konzentrierte Energie auf zwei oder mehr Impulse, die im Frequenzbereich um ΔF und im Zeitbereich um ΔT aus­ einander liegen. Für einen Übertragungskanal können im Re­ gelfall leicht die maximale Dopplerfrequenz-Differenz ΔF_max und die maximale Laufzeitdifferenz ΔT_max bestimmt werden. Bei Bekanntsein dieser Werte wird durch Integra­ tion der Suchfunktion über ein Gebiet der Größe

[2 T_s + ΔT_max) × [2/(N_p.T_s) + ΔF_max]

eine integrale Suchfunktion gebildet, welche eine Fre­ quenz- und Zeitposition des Integrationsgebiets aufweist, in welcher alle Impulse der Mehrwegeausbreitung von dem Integrationsgebiet erfaßt sind und somit wieder die ge­ samte Energie zusammengefaßt ist.

Bei quantitativer Betrachtung zeigt sich für übliche Kurz­ wellenübertragungswege mit typischerweise 1/T_s = 2400 Hz, ΔT_max= 5 ms und ΔF_max = 10 Hz, daß in Zeitrichtung das Integrationsgebiet im wesentlichen durch ΔT_max bestimmt ist, wogegen die maximale Dopplerfrequenz-Differenz F_max klein bleibt gegenüber der Impulsbreite, so daß auch für Mehrwegeausbreitung das Integrationsintervall in Frequenz­ richtung in guter Näherung mit 2/(N_p.T_s) angenommen wer­ den kann.

Bei Ermitteln eines Synchronisationszeitpunkts durch Schwellwertsetzung für die Suchfunktion, z. B. nach vorher­ gehender werteweiser Betrags- oder Betragsquadrat-Bildung, ist in einem Normierungsfaktor zu berücksichtigen, daß bei der Integration der Suchfunktion neben der Energie des Hauptimpulses auch noch weitere Energieanteile aufinte­ griert werden.

Wenn bei Gewinnung der Suchfunktion über den Weg der dis­ kreten Fouriertransformation die Länge der DFT^-1 gegenüber der Anzahl N_p der Wichtungskoeffizienten auf Nf Eingänge und Ausgänge erhöht wird, indem die überzähligen (Nf-N_p) Eingänge mit N_p ≦ k < Nf gleich Null gesetzt werden, so verringert sich entsprechend der Abstand der Frequenzli­ nien der Suchfunktion auf 1/(Nf.T_s) und bei der Integra­ tion über ein Intervall der Länge [2/(N_p.T_s)] sind ggf. mehrere der diskreten Frequenzlinien zu erfassen und in dem obengenannten Normierungsfaktor entsprechend zu be­ rücksichtigen.

In dem Normierungsfaktor wird vorteilhafterweise auch noch ein integrales Energiesignal e(t) berücksichtigt, das fortlaufend die Energie im Empfangssignal g(t), z. B. durch Betragsbildung und zeitliche Integration über eine PN-Fol­ gen-Länge und zusätzliche Integration über eine Kanal­ stoßantwortlänge bildet. Die Normierung auf ein derartiges integrales Energiesignal bewirkt, daß die Erkennung unab­ hängig von der absoluten Leistung des Eingangssignals und damit auch unabhängig von der Aussteuerung des Empfän­ gereingangs wird.

Claims (6)

1. Digitales Nachrichtenübertragungssystem, bei welchem Testfolgen mit empfängerseitig bekannten Symbolfolgen übertragen werden und aus den Empfangssignalen im Empfän­ ger eine von Zeit und Dopplerfrequenz abhängige zweidimen­ sionale diskrete Suchfunktion gebildet wird, welche auf das Vorliegen eines Synchronisationszeitpunkts und einer Signaldopplerfrequenz überprüft wird, dadurch gekennzeich­ net, daß die Suchfunktion in Dopplerfrequenzrichtung in­ tegriert wird über ein Integrationsintervall, das minde­ stens jeweils zwei benachbarte diskrete Dopplerfrequenz­ werte umfaßt, und die so gebildete integrale Suchfunktion zur Ermittlung von Synchronisationszeitpunkt und Doppler­ frequenz herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Testfolgen periodisch fortgesetzte Folgen der Peri­ odenlänge N_p.T_s sind, mit T_s als Symboldauer und N_p als Anzahl von Symbolen innerhalb einer Periodenlänge und daß das Integrationsintervall eine Intervallänge von minde­ stens 2/(N_p.T_s) umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der diskreten Dopplerfrequenzwerte der Such­ funktion geringer ist als 2/N_p.T_s.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Suchfunktion einen Schwellwertver­ gleich unterworfen wird und für die integrale Suchfunktion ein die Integration in Frequenzrichtung berücksichtigender Normierungsfaktor vor dem Schwellwertvergleich eingerech­ net wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Suchfunktion mittels einer inversen diskreten Fouriertransformation mit Nf Stufen gebildet wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Nf < N_p ist.