DE4135495A1 - Verfahren zur entzerrung digitaler nachrichtensignale sowie entzerrer zum durchfuehren des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entzerrung digi­ taler Nachrichtensignale nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 sowie einen Entzerrer zum Durchführen des Verfahrens gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 7.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar in HF-Radiosyste­ men, z. B. im Bereich von 3 MHz bis 30 MHz, wobei als Nach­ richtenübertragungsstrecke die Luft verwendet wird. Bei einem solchen System kann die Nachrichtenübertragung zwi­ schen einem Sender und einem Empfänger auf mehreren Wegen erfolgen, z. B. auf dem direkten Weg und auf einem Weg, der eine Reflexion an der Ionosphärenschicht enthält. Durch eine derartige gleichzeitige Mehrwegübertragung entstehen störende Verzerrungen der Nachrichtensignale.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es naheliegend, vor der eigentlichen Nachrichtenübertragung zunächst ein be­ kanntes Testsignal auszusenden und dieses zu empfangen. Damit kann die Nachrichtenübertragungsstrecke gemessen werden und empfängerseitig möglicherweise nötige Kompensa­ tionsmaßnahmen des Frequenz- und/oder Phasenganges durch­ geführt werden. Ein solches Verfahren hat störende Nach­ teile.

Ein erster Nachteil besteht darin, daß während der Über­ tragung der Testsignale keine nutzbaren Nachrichtensignale übertragen werden können. Dadurch werden Sendeenergie und Sendezeit für redundante Informationsübertragung ver­ schwendet.

Ein zweiter Nachteil besteht darin, daß auf der Nachrich­ tenübertragungsstrecke mögliche Störungen, die zwischen der Aussendung der Testsignale auftreten, nicht erfaßt werden und daher nicht korrigiert werden können.

Ein dritter Nachteil besteht darin, daß bei den empfänger­ seitigen Kompensationsmaßnahmen des Frequenz- und/oder Phasenganges ein erhöhtes störendes Rauschen auftreten kann, so daß der Störspannungsabstand (SNR) bei dem emp­ fangenen Signal so niedrig ist, daß keine fehlerfreie De­ modulation mehr erfolgen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gat­ tungsgemäßes Verfahren anzugeben, bei dem während der Übertragung der nutzbaren Nachrichtensignale eine Überprü­ fung der Nachrichtenübertragungsstrecke und ggf. eine An­ passung des Empfängers erfolgt, bzw. einen Entzerrer zum Durchführen des anzugebenden Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird in bezug auf das zu schaffende Verfah­ ren gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale und in bezug auf den zu schaffenden Entzerrer durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 7 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 6 beschrieben.

Die Erfindung beruht darauf, daß zur optimalen Einstellung des Empfängers keine Testsignale erforderlich sind. Solche Testsignale sind andererseits aber nicht störend, so daß die Erfindung vorteilhafterweise auch auf Verfahren, die Testsignale benötigen, anwendbar ist. Bei der Erfindung werden alle empfangenen Nachrichtensignale zeitlich fort­ laufend ausgewertet mit Hilfe eines Transversalfilters, dessen Koeffizienten durch ein iterativ arbeitendes Ver­ fahren eingestellt und zeitlich fortlaufend korrigiert werden. Dadurch ist immer eine gute Anpassung an die sich möglicherweise zeitlich ändernde Nach­ richtenübertragungsstrecke gewährleistet.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit ihr ein adaptiver Entzerrer geschaffen werden kann, der blind, d. h. ohne die sonst üblichen Testfolgen arbei­ tet und der aus diesem Grund auch in Aufklärungsempfängern zur Schätzung von (a priori unbekannten) Signalparametern wie Schrittgeschwindigkeit, Mittenfrequenz usw. benutzt werden kann. Mit anderen Worten können mit Hilfe der Er­ findung nicht nur die innerhalb eines Kommunikationssy­ stems übertragenen Nachrichtensignale kooperativer Sender entzerrt werden, sondern auch die von nicht-kooperativen Sendern übertragenen Signale.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Entzerrers un­ ter Bezugnahme auf eine schematisch dargestellte Zeichnung näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Nachrichtenübertragung in dem eingangs erwähnten Fre­ quenzbereich von 3 MHz bis 30 MHz. Gemäß der Figur wird dieses Signal zunächst in ein reelles ZF-Signal U, das z. B. eine Mittenfrequenz von 200 kHz und eine Bandbreite von 9 kHz besitzt, umgesetzt. Aus dem ZF-Signal U werden dann mit Hilfe eines Mischers M, eines Oszillators O, ei­ ner aus einem komplexen Tiefpaßfilter und mindestens einem A/D-Wandler bestehenden ersten Schaltungsanordnung KTP komplexe Abtastwerte x_n erzeugt, die im Basisband, z. B. einem Frequenzbereich von 0 Hz bis 5 kHz, liegen. Aus die­ sen komplexen Abtastwerten x_n wird durch Filterung mit Hilfe eines Transversalfilters TF ein komplexes Ausgangs­ signal y_n erzeugt. Dieses besitzt allenfalls noch vernachlässigbare Störungen und kann dann in zuverlässiger Weise weiterverarbeitet werden, z. B. in einer Auswerteein­ heit. Das Transversalfilter TF besitzt (Filter-) Koeffizienten C_k, die zeitlich fortlaufend einstellbar sind. Zur Bildung dieser Koeffizienten C_k wird eine Schal­ tungsanordnung AK, vorzugsweise eine Datenverar­ beitungsanlage, verwendet, in der in einem iterativen Ver­ fahren sowohl die Abtastwerte x_n (Eingangssignale) als auch die Ausgangssignale y_n verwendet werden. Dieses ite­ rative Verfahren wird nachfolgend näher erläutert.

In der Schaltungsanordnung AK wird beim erstmaligen Ein­ schalten (Initialisieren) der beschriebenen Anordnung aus den komplexen Abtastwerten x_n mit n = 1, 2 . . . N, wobei N eine frei wählbare Anzahl von Abtastwerten angibt, für welche die Koeffizienten C_k ermittelt werden sollen, eine Töplitzmatrix X der Dimension (N+M) × (M+1) gebildet. Dabei bedeutet M+1 die Anzahl der Koeffizienten des Transversal­ filters TF. Die Töplitzmatrix X hat die Form

Anschließend wird der größte Eigenwert der Matrix R_xx = X_*X gebildet. X_* bezeichnet die zu X gehörende kon­ jugiert komplexe, transponierte Matrix. Der zu dem größten Eigenwert gehörende Eigenvektor c(O) wird als Startwert des Koeffizientenvektors, der aus den Koeffizienten C_k ge­ bildet wird, des Transversalfilters TF genommen. Durch diese erstmalige Filterung der Eingangssignale x_n entste­ hen am Ausgang des Transversalfilters TF (Start-)Ausgangssignale y_n(1).

Diese (Start-)Ausgangssignale y_n(1) bilden nun die Grund­ lage für die Bildung der endgültigen Ausgangssignale y_n(k) durch ein iteratives Verfahren. Dabei bedeutet k = 1, 2, 3 . . . die Anzahl der durchgeführten Iterations­ schritte. Von der Anzahl k ist die Genauigkeit der Auswer­ tung abhängig. Für das beschriebene Ausführungsbeispiel ist es ausreichend k 5, vorzugsweise k = 3, zu wählen. Bei dem iterativen Verfahren wird bei der k-ten Iteration (k = 1, 2, 3 . . .) aus den Ausgangssignalen y_n(k) zunächst der Vektor y(k) und daraus die zugehörige Diagonalmatrix D(y(k)) gebildet gemäß den Formeln

Anschließend wird damit die Matrix R_xy gebildet gemäß der Formel

R_xy = X_*(y(k)y_*(k) + 1/N y_*(k)y(k)I - D(y(k))D(y(k))_*)X,

wobei I die Einheitsmatrix bedeutet und die mit _* bezeich­ neten Größen die entsprechenden konjugiert komplexen Transponierten. Aus der Matrix R_xy werden dann wieder der größte Eigenwert und der dazugehörige Eigenvektor c(k) gebildet, dessen Komponenten die neuen Koeffizienten C_k für das Transversalfilter sind. Die Ausgangssignale y_n(k+1), die in dem Vektor y(k+1) enthalten sind, ergeben sich aus der Filterung der Eingangssignale x_n, die in der Matrix X enthalten sind, mit dem Transversalfilter TF, das entsprechend dem Eigenvektor c(k) eingestellt wurde, gemäß der Formel
y(k+1) = Xc(k).

Dieses Verfahren kann auch mit anderen Worten so beschrie­ ben werden, daß zu einer bestimmten Anzahl N von zeitlich nacheinander erzeugten Eingangssignalen x_n, n = 1, 2, 3 . . . N, Koeffizienten Ck gebildet werden. Bei dieser Bildung der Koeffizienten C_k wird über die Eigen­ schaften der Eingangssignale gemittelt. Bei dieser Mittel­ wertsbildung werden Statistiken höherer Ordnung, vorzugs­ weise größer gleich zweiter Ordnung benutzt.

Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, daß die Abta­ strate zur Erzeugung der Eingangssignale x_n nicht synchron zur Baudrate der Nachrichtensignale ist. Das Verfahren ist außerdem vorteilhafterweise unabhängig von der verwendeten Trägerfrequenz. Die zur Auswertung der empfangenen Nach­ richtensignale benötigten Parameter, wie z. B. Baudrate und Trägerfrequenz, können daher in zuverlässiger Weise aus den im wesentlichen störungsfreien Ausgangssignalen y_n ab­ geleitet werden.

Erfolgt die Nachrichtenübertragung beispielsweise nach ei­ nem PSK-Verfahren ("Phase Shift Keying", d. h. einer Pha­ sencodierung) mit einer Baudrate von 500 Bd im Basisband, so kann bei einem Störspannungsabstand (SNR) von 20 dB und einer Abtastfrequenz von 2 kHz ein zeitliches Beobach­ tungsfenster von 200 ms, d. h. N = 400, und k = 5 Iterati­ onsschritte gewählt werden, um eine einwandfreie Rückgewinnung der ursprünglichen digitalen Nachricht zu erreichen. Dabei hat das Transversalfilter TF siebzehn Ko­ effizienten. Dabei ist es ausreichend, wenn die zugehöri­ gen Statistiken bis zur vierten Ordnung berücksichtigt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Beispiel be­ schränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar, z. B. auf Nachrichtenübertragungsverfahren mit Quadratur-Ampli­ tuden-Modulation (QAM) oder ASK-Kodierung ("amplitude shift keying") oder FSK-Kodierung ("frequency shift keying").

Claims (7)

1. Verfahren zur Entzerrung digitaler Nachrichtensignale, welche über eine Nachrichtenstrecke mit mehreren Wegen übertragen werden, wobei sich ein Nachrichtenempfänger ad­ aptiv auf die von einem Sender ausgesandten Nachrichtensi­ gnale einstellt, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zu der adaptiven Einstellung des Nachrichtenempfän­ gers Zeitmittelwerte über mehrere Nachrichtenimpulse benutzt werden und
• - daß bei der Bildung der Zeitmittelwerte Statistiken größer gleich zweiter Ordnung benutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptive Einstellung ohne Verwendung von Testsigna­ len erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zeitmittelwerte mit Hilfe von Stati­ stiken vierter Ordnung gebildet werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalwerte ein Transversal­ filter (TF) durchlaufen, dessen Filterkoeffizienten (C_k) durch ein Iterationsverfahren gebildet werden, wobei Ein­ und Ausgangssignale (x_n, y_n) verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß zur Bildung der Statistiken höherer Ordnung die Ein- und Ausgangssignale (x_n, y_n) als Komponenten von Vektoren benutzt werden,
• - daß die Vektoren mit mindestens einer Matrix multipli­ ziert werden,
• - daß nach dieser Multiplikation der größte Eigenwert und der zugehörige Eigenvektor (c(k)) gebildet werden und
• - daß die Komponenten des Eigenvektors (c(k)) als Koeffi­ zienten (C_k) des Transversalfilters (TF) verwendet wer­ den.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ein- und Ausgangssignale (x_n, y_n) als komplexe Signale verarbeitet werden.

7. Entzerrer zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein Mischer (M) vorgesehen ist zur Mischung des vorzugsweise in ein reelles Zwischenfrequenz­ signal (U) umgesetzten Nachrichtensignals mit dem Ausgangssignal eines Oszillators (O);
• - daß der Mischer (M) ausgangsseitig mit einer aus einem komplexen Tiefpaßfilter und mindestens einem A/D-Wandler bestehenden und ausgangsseitig kom­ plexe und vorzugsweise im Basisband liegende Ab­ tastwerte (x_n) erzeugenden ersten Schaltungsanord­ nung (KTP) verbunden ist;
• - daß die erste Schaltungsanordnung (KTP) ausgangs­ seitig mit einem komplexe Ausgangssignale (y_n) er­ zeugenden Transversalfilter (TF) verbunden ist;
• - daß die erste Schaltungsanordnung (KTP) und/oder das Tranversalfilter (TF) ausgangsseitig zusätz­ lich mit einer vorzugsweise in Form einer Daten­ verarbeitungsanlage ausgebildeten zweiten Schal­ tungsanordnung (AK) verbunden ist (sind), mit wel­ cher die Koeffizienten (c_k) des Transversalfilters (TF) vorzugsweise in einem iterativen Verfahren unter Verwendung der komplexen Abtastwerte (x_n) der ersten Schaltungsanordnung (KTP) und/oder der komplexen Ausgangssignale (y_n) des Transversalfil­ ters (TF) gebildet werden.