DE4130865C2 - 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 Entzerrerfilter danach eingestellt.

Ein wesentlicher Punkt ist dabei die Ermittlung der Dopp­ lerfrequenzverschiebung des Signals, z. B. zur Überprüfung eines möglicherweise vorliegenden Synchronisationszeit­ punkts.

Es ist bekannt, das Eingangssignal durch Umsetzung mit entsprechenden Überlagerungssignalen auf mehrere Dopp­ lerkanäle zu verteilen und für die verschiedenen Dopp­ lerkanäle Verfahren zur Erkennung einer Präambel im Emp­ fangssignal anzuwenden z. B. mittels Korrelation in Mat­ ched-Filtern. Bei Erkennen einer Präambel in einem Dopp­ lerkanal kann ein Synchronisationszeitpunkt zumindest an­ nähernd bestimmt und die Dopplerkanalfrequenz des betrof­ fenen Dopplerkanals als die Dopplerfrequenzverschiebung des Empfangssignals angenommen werden. Dieser angenommene Wert für die Signal-Dopplerfrequenz stellt aber bei einem Frequenzabstand benachbarter Dopplerkanäle von typischer­ weise ca. 50 Hz im Kurzwellenbereich eine zu ungenaue Schätzung dar. Notwendig für eine zufriedenstellende wei­ tere Signalverarbeitung wäre eine um den Faktor 10, mög­ lichst sogar auf 1 bis 2 Hz genaue Bestimmung der Doppler­ frequenz.

Aus US 4,633,411 ist ein Verfahren bekannt, das als Maß für die Dopplerfrequenzverschiebung die Änderung des Leistungsdichte­ spektrums eines übertragenen Mehrfrequenzsignals heranzieht. Entsprechend dem von Cabera bekannten Verfahren (ICASSP'90, IEEE, Vol. 2970, S. 1711-1714), das sich der Maximum-likelihood- Methode zur Frequenzschätzung bedient, erreicht es jedoch auch nicht die geforderte Schätzgenauigkeit bezüglich der Doppler­ frequenzverschiebung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Ver­ fahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, welches eine ausreichend genaue Dopplerfre­ quenzschätzung ermöglicht.

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

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt in dem kurzen für die genaue Dopplerfrequenzbestimmung benötigten Si­ gnalabschnitt, so daß eine hohe Kanalausnutzung für die Nachrichtenübertragung ermöglicht wird. Vorzugsweise lie­ gen die Zeitpunkte, zu denen die Kanalparameter geschätzt werden, sogar um weniger als eine Periodenlänge der in der Präambel periodisch wiederholten Testfolgen auseinander.

Die Erfindung ist insbesondere auch von Vorteil für Fre­ quenzsprungverbindungen, wo nach jedem Nachrichtenrahmen die Frequenz gewechselt wird und keine im Abstand eines Nachrichtenrahmens auseinanderliegenden Präambeln gewähr­ leistet sind.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau­ licht.

Als Zahlenbeispiel sei eine Kurzwellenübertragung mit ei­ ner Datenrate von 2400 Band entsprechend einer Symboldauer T_s = 0,416 msec angenommen. Der Übertragungskanal zeigt eine maximale Kanalstoßantwortlänge von ca. 5 msec. Die Länge N_p einer Testfolge in der Präambel, die als Pseudo- Noise(PN)-Folge angenommen sei, ist zumindest so groß wie die Länge Nh der Kanalstoßantwort (jeweils in Vielfachen der Symboldauer T_s), vorzugsweise aber deutlich größer und im Beispielsfall zu N_p = 31 gewählt. Für eine empfangssei­ tige zyklische Korrelation mit nachfolgender zeitlicher Integration über eine Kanalstoßantwortlänge ergibt sich für die Präambel eine Mindestlänge von N_p + 2Nh. Dieselbe Mindestlänge ergibt sich für eine empfangsseitige lineare Korrelation ohne Zeitintegration.

Es sei weiter angenommen, daß eine Schätzung eines mögli­ chen Synchronisationszeitpunkts t_o und eine zugehörige grobe Schätzung einer Signaldopplerfrequenz f_o bereits vorliegen, beispielsweise durch Schwellwertauswertung ei­ ner in Dopplerfrequenz und Zeit zweidimensionalen Such­ funktion, die durch eine bekannte Dopplerkanaltrennung und kanalweise Korrelation oder über eine diskrete Fourier- Transformation (DFT) mit Phasenkorrektur gewonnen wird. Die Dopplerfrequenzabstände der Dopplerkanäle oder der Frequenzlinien der DFT liegen typischerweise bei ca. 50 Hz, so daß die durch Entscheidung für eine der diskreten Dopplerfrequenzen erfolgte grobe Dopplerfrequenzschätzung im Regelfall zu weit von der tatsächlichen Signaldoppler­ frequenz entfernt liegt.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorgehensweise für den betreffenden Dopplerkanal mit Umsetzung des Empfangssi­ gnals g(t) mit dem Überlagerungssignal e^-jβot. Aus dem als Folge von Abtastwerten im Zeitabstand T_s vorliegenden um­ gesetzten Signal g(t, βo) wird in an sich bekannter Weise in einem ersten Korrelationsfilter K1 mit einer Korrelati­ onsgewichtsfolge yΔ z. B. einem Matched-Filter, einem Mis­ matched-Filter oder einem Modifizierten-Mismatched-Filter eine Kanalstoßantwort hΔ bestimmt. Das letztgenannte hat den Vorteil höher Effizienz gegenüber einem Mismatched- Filter für dieselbe PN-Folge, außerdem sind Modifizierte- Mismatched-Filter nicht auf PN-Folgen beschränkt, bringen aber gleichfalls alle Nebenwerte der Kreuzkorrelations­ funktionen zum Verschwinden. Die Empfangssignalfolge g(t, β_o) wird auf einem parallelen Signalweg um einen Zeitab­ schnitt Δt verzögert und in einem zweiten Korrelationsfil­ ter K2 mit einer Korrelationsgewichtsfolge y_o wird wie­ derum eine Kanalstoßantwort h_o bestimmt.

Fig. 2 zeigt einen bevorzugten Aufbau einer Präambel bzw. eines zur Bestimmung von Synchronisationszeitpunkt und Si­ gnaldopplerfrequenz benutzten Präambelabschnitts, bei wel­ chem eine PN-Folge der Länge N_p . T_s vor- und nacheilend periodisch fortgesetzt ist auf eine Länge von jeweils Nh . T_s, was mindestens gleich der maximal erwarteten Kanal­ stoßantwortlänge ist. Zur Schätzung der Kanalstoßantwort mittels zyklischer Korrelation ist eine Mindestlänge von (N_p . T_s + Nh . T_s) der teilperiodischen Struktur mit der Periodenlänge N_p . T_s erforderlich. Unter Verwendung eines auf die PN-Folge abgestimmten Korrelationsfilters bezeich­ net ein richtig geschätzter Synchronisationszeitpunkt t_o gerade den Anfang der PN-Folge in der Präambel. Eine ent­ sprechende Kanalstoßantwortschätzung bezieht sich dann auf den Signalabschnitt von t_o bis t_o + N_p . T_s. Da die Präam­ bel um Nh . T_s über diesen Abschnitt hinaus verlängert ist, sind weitere Schätzungen der Kanalstoßantwort mit um maximal Nh . T_s später eintreffenden Signalabschnitten der Länge Np . T_s möglich. Vorzugsweise wird eine weitere Ka­ nalstoßantwortschätzung mit einem von (t_o + Nh . T_s) bis (t_o + Nh . T_s + N_p . T_s) reichenden Signalabschnitt durch­ geführt. Da die Symbolfolge dieses Abschnitts nicht mit derjenigen der PN-Folge identisch, sondern dieser gegen­ über zyklisch verschoben ist, ist die zur Kanal­ stoßantwortschätzung verwandte Gewichtsfolge yΔ entspre­ chend gegenüber y_o zu verändern. Beim Matched-Filter oder Mismatched-Filter bedeutet dies eine zyklische Verschie­ bung der Gewichte um Nh Stellen, während beim Modifizier­ ten Mismatched-Filter die Gewichtsfolgen y_o und yΔ nicht so offensichtlich korrespondieren, aber in an sich be­ kannter Weise für die verschiedenen Signalabschnitte be­ stimmbar sind.

Zur Bestimmung der Phasenabweichung ϕ der beiden Kanal­ stoßantworten wird vorteilhafterweise der komplexe Korre­ lationskoeffizient R^o der beiden Kanalstoßantworten mit einem Integrationsintervall der Länge Nh . T_s gebildet, dessen Phase arg (R^o) die mittlere Phasenabweichung y be­ schreibt. Aus einem Eindeutigkeitsbereich ±π der Phasenbe­ stimmung resultiert eine Eindeutigkeitsgrenze Δβ_max = π/(Nh . T_s) für die Dopplerfrequenz, die im Beispielsfall mit 1/Ts = 2400 Hz und Nh = 13 bei ca. 92 Hz und so­ mit deutlich über dem typischen Frequenzabstand benachbar­ ter Dopplerkanäle bzw. benachbarter Frequenzlinien bei ei­ ner DFT-Verarbeitung liegt. Gemäß dem in Fig. 1 skizzier­ ten Beispiel wird die umgesetzte Empfangssignalfolge vor dem zweiten Korrelationsfilter K2 um Δt = Nh . T_s verzö­ gert, so daß bei Anliegen des Empfangssignalsabschnitts von t_o bis t_o + N_p . T_s, aus welchem die Kanalstoßantwort h_o geschätzt wird, an den Eingängen des zweiten Korrelati­ onsfilters zur gleichen Zeit an den Eingängen des ersten Korrelationsfilters der Empfangssignalabschnitt von (t_o + N_h . T_s) bis (t_o + Nh . T_s + N_p . T_s) anliegt, welcher mit der Gewichtsfolge yΔ die Kanalstoßantwort hΔ liefert. Anstelle der Signalverzögerung um Δt kann in äquivalenter Weise auch eine Verschiebung der Zeitpunkte für die Kanal­ stoßantwortschätzung und eine Zwischenspeicherung (Verzö­ gerung) der zuerst geschätzten Kanalstoßantwortschätzung erfolgen.

Aus den beiden geschätzten Kanalstoßantworten wird die Phasenabweichung ϕ bestimmt und daraus durch Verknüpfung mit der Verzögerungszeit Δt die Frequenzabweichung Δβ = ϕ/Δt der Signaldopplerfrequenz βs von der z. B. durch vorhergehende grobe Schätzung gewonnenen Dopplerfrequenz β_o ermittelt. Eine Frequenzabweichung Δβ von der diskreten Frequenz β_o, auf der die Schätzung der Kanalstoßantwort durchgeführt wird, gegenüber der tatsächlichen Signaldopp­ lerfrequenz resultiert in erster Linie in einer Phasenab­ weichung der geschätzten Kanalstoßantwort h(τ). Die Form der Kanalstoßantwort wird erst bei einer größeren Fre­ quenzabweichung Δβ wesentlich geändert.

Dennoch liefert auch der gemäß einer Weiterbildung der Er­ findung durchgeführte Vergleich der Form der aus zeitver­ zögerten Abschnitten gewonnenen Kanalstoßantworten h_o und hΔ, ausgedrückt im Betrag des Korrelationskoeffizienten R, einen guten Hinweis auf die Frequenzverschiebung. Hierfür werden um den Dopplerkanal bzw. die Frequenzlinie mit β_o weitere "feine" Dopplerkanäle in einem Frequenzabstand dβ/2π geschaffen, z. B. durch Umsetzung mit Überlagerungs­ signalen e^±jdβt, wobei dieser Frequenzabstand deutlich kleiner als der Frequenzabstand bei der groben Dopplerfre­ quenzschätzung ist, beispielsweise halb so groß. In diesen "feinen" Dopplerkanälen werden gleichfalls in der be­ schriebenen Weise Kanalstoßantworten und ein Korrelations­ koeffizient R⁺ bzw. R^- erzeugt, und in einer Auswahlschal­ tung A wird der betragsgrößte Korrelationskoeffizient aus­ gewählt. Dessen Frequenzlinie bestimmt bereits eine ver­ besserte, aber immer noch zu grobe Dopplerfreguenzschät­ zung. Die endgültige Schätzung der Dopplerfrequenz ergibt sich schließlich aus der Phase des ausgewählten Korrelati­ onskoeffizienten als Abweichung gegen dessen zugehörige diskrete Frequenz.

Claims (12)

1. Digitales Nachrichtenübertragungsverfahren, bei wel­ chem in einer Präambel periodisch fortgesetzte Testfolgen mit empfängerseitig bekannten Symbolfolgen übertragen wer­ den und aus den Empfangssignalen eine Dopplerfrequenzbe­ stimmung erfolgt, indem zu mindestens zwei verschiedenen Zeitpunkten eine Schätzung von Kanalparametern vorgenommen wird und durch Vergleich von zu unterschiedlichen Zeit­ punkten geschätzten Kanalparametern eine Dopplerfrequenz bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Schätzungen der Kanalparameter zu unterschiedlichen Zeitpunkten innerhalb der Zeitdauer einer Präambel vorgenommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand der unterschiedlichen Zeitpunkte kleiner als eine Periodenlänge der periodisch fortgesetzten Test­ folgen gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die periodisch fortgesetzten Testfolgen der Präambel eine Symbolfolge der Mindestlänge (N_p + 2 Nh) . T_s bilden, wobei mit T_s die Symboldauer, mit N_p die Peri­ odenlänge und mit Nh die maximale Kanalstoßantwortlänge, jeweils als Vielfache der Symboldauer T_s, bezeichnet sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kanalparameter die Kanalstoßant­ wort geschätzt wird und die Phasenabweichung von zu ver­ schiedenen Zeitpunkten geschätzten Kanalstoßantworten be­ stimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalstoßantworten mit Hilfe von Matched-Filtern ge­ schätzt werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Schätzung der Kanalstoßantwort zu verschiedenen Zeitpunkten die Koeffizienten der jeweiligen Matched-Filter zyklisch verschoben sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalstoßantworten mit Hilfe von modifizierten Mismatched-Filtern geschätzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für zu zwei verschiedenen Zeitpunkten geschätzten Kanalstoßantworten ein Korrelationskoeffizient bestimmt und aus dessen Phase die Dopplerfrequenz abgelei­ tet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzung der Kanalparameter auf mehreren benachbarten Dopplerfrequenzkanälen durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzung der Kanalparameter eine grobe Dopplerfrequenzschätzung vorangeht und die Schätzung der Kanalparameter im Dopplerfrequenzkanal der grob ge­ schätzten Dopplerfrequenz und ggf. benachbarten Doppler­ frequenzkanälen durchgeführt wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zu den mehreren Dopplerfrequenzkanälen der Betrag der Korrelationskoeffizienten gebildet und der Dopplerfrequenzkanal mit dem betragsmäßig maximalen Korre­ lationskoeffizienten zur Bestimmung dessen Phase und zur Ableitung der gesuchten Dopplerfrequenz herangezogen wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzung der Kanalparame­ ter eine Bestimmung eines Synchronisationszeitpunkts vor­ ausgeht.