DE4431047C2

DE4431047C2 - Method for separating recurring signal sections transmitted in radio signals and contained in a sum signal by superimposition

Info

Publication number: DE4431047C2
Application number: DE19944431047
Authority: DE
Inventors: Otmar Dipl Phys Wanierke
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1994-09-01
Filing date: 1994-09-01
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2014-09-02
Also published as: DE4431047A1

Description

Die Erfindung betrifft und geht aus von einem Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates and is based on a method according to the preamble of the main claim.

Zur Ausführung von Messungen an Hochfrequenz-Funksignalen, insbesondere digital modulierten Signalen, haben sich die in solchen Funksignalen mit ausgesendeten wieder kehrenden Signalabschnitte als vorteilhaft erwiesen, die in aufeinanderfolgenden Zeitabständen eines ganz zahligen Vielfachen gT einer Systemzeit T ausgesendet werden, vorzugsweise mit g=1. Diese Signalabschnitte weisen beliebige Länge jedoch gleichen aber sonst nicht weiter festgelegten Signalinhalt auf. Sie sind häufig Träger mittelbarer oder unmittelbarer Informationen beispielsweise über die das Funksignal aussendenden Sendestation und sie eignen sich daher zur Ausführung von beliebigen Messungen. Beispielsweise können an diesen Signalabschnitten Leistungsmessungen, Laufzeit- oder Dopplerverschiebungs-Messungen und dergleichen durch geführt werden.For performing measurements on high-frequency radio signals, especially digitally modulated signals those emitted in such radio signals again returning signal sections proved to be advantageous, the one at a time in consecutive intervals Numerous multiples of a system time T are transmitted are, preferably with g = 1. These signal sections have any length but are not the same further specified signal content. They are common Bearer of direct or indirect information for example via the ones that emit the radio signal Transmitter station and they are therefore suitable for execution of any measurements. For example, at this Signal sections power measurements, runtime or Doppler shift measurements and the like be performed.

Wenn in einem zu untersuchenden Frequenzband gleichzeitig mehrere Sender entsprechende Funksignale aus senden so entsteht durch Überlagerung am Meßempfänger, mit dem solche Messungen an ausgewählten Signalabschnitten ausgeführt werden sollen, ein Summensignal, in welchem diese für die Messung geeigneten Signalabschnitte der einzelnen Funksignale beliebig gemischt enthalten sind. In Mobilfunknetzen werden beispielsweise die von den Sendern zu den Mobilstationen übertragenen Träger-(Carrier)Signale mit störenden Stör-(Inter ferer)Signalen überlagert und es können nicht mehr ohne weiteres Informationen über die Träger- bzw. Stör-Signale gewonnen werden. Eine Trennung in die ursprünglichen Signale mittels Filter, beispielsweise mittels einer bekannten Digitalfilterbank (Jondral, Friedrich, "Analyse von Funksignalen", ntz Bd. 42 (1989) Heft 6, Seiten 360-367) oder durch andere bekannte Trennverfahren, beispielsweise mittels Leistungsteiler und Gewichtungs schaltungen (beispielsweise nach DE 40 28 681), ist nicht möglich, insbesondere dann nicht, wenn einige der Funk signale eine gegenüber dem Summensignal kleine Leistung aufweisen und keinerlei Informationen bezüglich der absoluten Sendezeiten der wiederkehrenden Signalabschnitte existieren.If in a frequency band to be examined simultaneously several transmitters send corresponding radio signals arises from superimposition on the measuring receiver with which such measurements on selected signal sections to be executed, a sum signal in which these signal sections suitable for the measurement of the individual radio signals are mixed as desired. In cellular networks, for example, those of Transmitters transmitted to the mobile stations Carrier signals with interfering interference (inter ferer) signals superimposed and it can no longer be without further information about the carrier or interference signals be won. A separation into the original Signals using a filter, for example using a known digital filter bank (Jondral, Friedrich, "Analyze von radio signals ", ntz vol. 42 (1989) issue 6, pages 360-367) or by other known separation processes, for example, using a power divider and weighting circuits (for example according to DE 40 28 681) is not possible, especially not if some of the radio signals a small power compared to the sum signal and have no information regarding the absolute transmission times of the recurring signal sections exist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Ver fahren zum Trennen solcher über Funksignale übertragenen sich wiederholender Signalabschnitte aus einem durch Überlagerung dieser Funksignale entstehenden Summensignal aufzuzeigen, so daß dann diese getrennten Signalabschnitte in beliebiger Weise weiterverarbeitet und ausgewertet werden können.It is therefore an object of the invention, a simple Ver drive to separate those transmitted via radio signals repetitive signal sections from one through Superposition of these radio signals resulting sum signal to show, so that then these separate signal sections processed and evaluated in any way can be.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeich nende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. This task is based on a process Preamble of the main claim characterized by its characteristics solved. Advantageous further training result from the subclaims.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß digital modulierte Signale in der Regel sich wiederholende Signalabschnitte Q_i enthalten, wobei der zeitliche Abstand solcher Sequenzen ein Vielfaches g einer Systemzeit T ist und g vorzugsweise den Wert Eins hat. Dabei sind diese Signalabschnitte häufig Träger mittelbarer oder unmittelbarer Informationen z. B. über die Sendestation, also für die Problemlösung durchaus geeignet.The invention is based on the knowledge that digitally modulated signals generally contain repetitive signal sections Q _i , the time interval between such sequences being a multiple g of a system time T and g preferably having the value one. These signal sections are often carriers of indirect or direct information such. B. via the transmitter, so quite suitable for problem solving.

Erfindungsgemäß erfolgt die Trennung der genannten Signalabschnitte durch Fouriertransformationen. Dabei werden die Fouriertransformationen nicht etwa wie bei einer Messung der spektralen Leistungsdichte auf kontinuierliche Signalabschnitte angewendet, sondern die in die Spektren S_k transformierten Zeitbereiche Z_k bestehen aus digitalisierten Abtastwerten des Empfänger-Ausgangssignals im Abstand der Systemzeit T, wobei T i.A. wesentlich größer ist als die Länge des verwendeten Abtastintervalls. Die zu transformierenden Zeitbereiche Z_k werden durch ihre Startzeiten t_k bestimmt. Verfahrensgemäß werden die gesuchten wiederkehrenden Signalabschnitte zu den Zeitpunkten t_k bestimmt und zwar so, als ob sie mit der Systemzeit periodisch (d. h. g=1 für alle Aussendungen) gesendet worden wären. Deshalb werden die Startzeiten t_k so gewählt, wie es für die anschließende Weiterverarbeitung der Signalabschnitte Q_i erforderlich ist. According to the invention, the aforementioned signal sections are separated by Fourier transformations. Here, the Fourier transforms are not as applied as a measurement of the power spectral density in a continuous-signal portions, but the _k in the spectra S transformed time ranges Z _k consist of digitized samples of the receiver output signal in the distance between the system time T, where T iA is substantially greater than the length of the sampling interval used. The time ranges Z _k to be transformed are determined by their start times t _k . According to the method, the recurring signal sections sought are determined at times t _k as if they had been sent periodically with the system time (ie g = 1 for all transmissions). For this reason, the start times t _k are selected as required for the subsequent further processing of the signal sections Q _i .

In einfachster Weise nimmt man für die t_k die ersten innerhalb der Meßdauer T liegenden Abtastzeiten des Summensignals. Andere t_k, die auch über den Zeitbereich der Länge T hinausgehen können, sind möglich; beispielsweise wenn mit langsamen A/D-Wandlern und Speichern alle Zeitbereiche Z_k nacheinander abtastet werden und die während der Abtastung der Zeitbereiche Z_k konstante Abtastzeit T beim Übergang zu einem neuen Zeitbereich um die Zeit Δt geringfügig in der Größenordnung des Reziprokwertes der Signalbandbreite des Summensignals verändert wird. Wegen der Periodizitätseigenschaft des Verfahrens erhält man dann die Werte der Signalsequenzen Q_i in Zeitabständen Δt.In the simplest manner, the first sampling times of the sum signal lying within the measuring period T are taken for the t _k . Other t _k , which can also go beyond the time range of length T, are possible; For example, if slow time A / D converters and memories are used to scan all the time ranges Z _k one after the other and the sampling time T constant during the scanning of the time ranges Z _k during the transition to a new time range by the time Δt is slightly of the order of magnitude of the reciprocal of the signal bandwidth of the sum signal is changed. Because of the periodicity property of the method, the values of the signal sequences Q _i are then obtained at time intervals Δt.

Bei der Fouriertransformation erfolgt eine Trennung der einzelnen wiederholt gesendeten Sequenzen vom Rest des Signals und untereinander. Je nach Ausbreitungsbedingungen im Funkkanal erhält man jede dieser Sequenzen verstärkt in einem oder mehreren bezüglich einer Frequenz f_m gewonnenen Zeitsignalen z_m = {y_1m, y_2m, . . . }, deren Werte y_km an den Zeitpunkten t_k des Zeitsignals aus den Spektren S_k an einer bestimmten für alle Spektren gleichen Frequenzstelle f_m entnommen werden. Der Bezug zwischen t_k und S_k entsteht dadurch, daß S_k aus dem Zeitbereich Z_k berechnet wurde, der zur Zeit t_k beginnt.In the Fourier transformation, the individual, repeatedly transmitted sequences are separated from the rest of the signal and from one another. Depending on the propagation conditions in the radio channel are obtained, each of these sequences amplified in one or more with respect to a frequency f _m time signals obtained for _m = {y _{1 m,} y _{2 m.} . . } whose values y _{km are taken} from the spectra S _k at a specific frequency point f _m which is the same for all spectra at the times t _{k of} the time signal. The relationship between t _k and S _k arises from the fact that S _k was calculated from the time domain Z _k, which begins at time t _k.

Diese Zeitsignale z_m werden dann zur Weiterverarbeitung abgespeichert.These time signals z _m are then stored for further processing.

Wenn das Ausgangssignal als ZF-Signal zur Verfügung steht, wird vorzugsweise eine digitale I-Q-Demodulation durchgeführt, da dann die notwendige Anzahl der abzuspeichernden Abtastwerte geringer und die Anzahl der auszuführenden Fouriertransformationen kleiner wird.If the output signal is available as an IF signal, preferably performed a digital I-Q demodulation, since then the necessary number of samples to be stored less and the number of the Fourier transformations to be performed becomes smaller.

Eine weitere Möglichkeit, die Zahl der zu bearbeitenden Abtastwerte und die Zahl der notwendigen Fouriertransformationen zu reduzieren besteht in der digitalen Vorfilterung des abgetasteten oder digital I-Q-demodulierten Signals.Another way to determine the number of samples to be processed and the The number of necessary Fourier transformations consists in reducing digital pre-filtering of the sampled or digital I-Q demodulated signal.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich, wenn man anstelle der Systemzeit T ein Vielfaches dieser Zeit benutzt. Beispielsweise tritt bei einem GSM-Signal die kurze Trainingssequenz in jedem gesendeten Zeitschlitz auf. Damit entspricht T der Zeitschlitzdauer, da die Zeitschlitze direkt hintereinander gesendet werden können. Nun gibt es einen häufigen Fall, daß in einem Kanal nur jeder 8. Zeitschlitz gesendet wird, der zu einer bestimmten Telefonverbindung gehört. In diesem Fall wäre g immer gleich 8, was sich ungünstig auf die Trennung der kurzen Trainingssequenz auswirken würde. Eine Vervielfachung von T auf das 8-fache der Zeitschlitzdauer bewirkt hier, daß g=1 wird und das beschriebene Trennverfahren wesentlich effizienter, also mit weniger Meß- und Rechenaufwand, angewendet werden kann.An advantageous development of the invention results if one instead of the system time T uses a multiple of this time. For example, joins the short training sequence in each transmitted time slot with a GSM signal on. T thus corresponds to the time slot duration, since the time slots are direct can be sent in succession. Now there is a common case that in a channel only every 8th time slot is sent, which belongs to a certain one Telephone connection heard. In this case, g would always be 8, whichever would adversely affect the separation of the short training sequence. A multiplication of T to 8 times the time slot duration causes here that g = 1 and the separation process described is much more efficient, that is with less measuring and computing effort, can be applied.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is based on schematic drawings of a Embodiment explained in more detail.

Fig. 1 zeigt die von einzelnen Sendern T₁ und T₂ beispielsweise eines Mobilfunknetzes zu einem Hochfrequenzempfänger gelangenden Funksignale C₁ und C₂, die innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes gleichzeitig ausgesendet werden. Fig. 1 shows the individual transmitters T₁ and T₂, for example, a cellular network to a radio frequency receiver radio signals C₁ and C₂, which are emitted simultaneously within a predetermined frequency band.

Fig. 2 zeigt die gesendeten Signale C₁ und C₂ mit wiederkehrenden Sequenzen Q₁ bzw. Q₂. Fig. 2 shows the transmitted signals C₁ and C₂ with recurring sequences Q₁ and Q₂.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Anordnung zur Aufbereitung des empfangenen Signals in digitale Abtastwerte. Fig. 3 shows a possible arrangement for the processing of the received signal into digital samples.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Anordnung der benötigten Speicher- und Prozessoreinheit für die Trennung der Signalabschnitte Q_i. Fig. 4 shows a possible arrangement of the required memory and processor unit for the separation of the signal sections Q _i .

Eine typische Situation der Überlagerung zweier Funksignale 1 und 2 von verschiedenen Sendern 4 und 5 am Empfänger 6, der sich auch mit einer gewissen Geschwindigkeit bewegen kann, führt an diesem Empfänger zu einem Summensignal 3 aus dem mit Hilfe des beschriebenen Trennverfahrens Informationen über die beiden gesendeten Signale C₁ und C₂ gewonnen werden. Solche Informationen sind in den Signalabschnitten Q₁ bzw. Q₂ enthalten. Der Signalabschnitt Q₁ im Signal C₁ wiederholt sich senderseitig mit einer Systemzeit T. Der Signalabschnitt Q₂ im Signal 02 wiederholt sich mit der Systemzeit T oder einem ganzzahligen Vielfachen, wie es in Fig. 2 für g=2 dargestellt ist. A typical situation of the superimposition of two radio signals 1 and 2 from different transmitters 4 and 5 on the receiver 6 , which can also move at a certain speed, leads to a sum signal 3 on this receiver from which information about the two transmitted is transmitted using the separation method described Signals C₁ and C₂ are obtained. Such information is contained in the signal sections Q₁ and Q₂. The signal section Q 1 in the signal C 1 is repeated on the transmitter side with a system time T. The signal section Q 2 in the signal 02 is repeated with the system time T or an integer multiple, as shown in FIG. 2 for g = 2.

Das empfangene Signal wird mit einem HF-Empfänger 6 empfangen und demoduliert. Das ZF-Ausgangssignal wird mit dem A/D-Wandler 7. digitalisiert und mit dem Abwärtskonverter 8 I-Q-demoduliert und mit den Filtern 9 digital gefiltert.The received signal is received and demodulated by an RF receiver 6 . The IF output signal is with the A / D converter 7th digitized and IQ-demodulated with the down converter 8 and digitally filtered with the filters 9 .

Die so gewonnen komplexen digitalen Abtastwerte werden in einen Speicher 10 geschrieben, so daß sie in Zeitbereichen Z_i für eine diskrete Fouriertransformation zur Verfügung stehen. Während der Systemzeit T sollen aus der Empfangseinheit nach Fig. 3 n digitale zweiwertige komplexe Abtastwerte des Summensignals geliefert werden. D.h. die Abtastrate ist n/T. Dann werden n Zeitbereiche Z₁ bis Z_n gebildet, die mit den ersten n Abtastwerten zu den Zeiten t₁ bis t_n beginnen und dann Werte im Abstand T enthalten. Der in Fig. 4 dargestellte Speicher 10. wird also spaltenweise gefüllt und die einzelnen Zeitbereiche sind die n Zeilen der matrixförmigen Speicheranordnung. Die Anzahl N der eingelesenen Spalten und damit die Gesamtzeit t_g der Messung t_g=N T hängt von der Stationarität des Funkkanals ab. Die Trennung der Signalabschnitte Q_i verbessert sich mit größer werdendem t_g, solange der Funkkanal für diese Zeit bezüglich der vorhandenen Ausbreitungspfade als stationär angesehen werden kann. In vorteilhafter Weise wird N so gewählt werden, daß eine schnelle Fouriertransformation durchgeführt werden kann, z. B. eine Cooley-Tukey-Radix 2 FFT (N=16, 32, 64, 128, . . . ) oder eine Prime-Factor-FFT (N=35, 55, 72, . . . ) wie sie in "DFT/FFT and Oonvolutional Algorithems", C.S. Burrus and T.W. Parks bei John Wiley & Sons 1976 beschrieben sind. Die diskrete Fouriertransformation der Abtastwerte der Zeitbereiche Z_i wird mit dem Prozessor 11, der beispielsweise ein spezieller FFT-Prozessor sein kann, ausgeführt, sobald diese vollständig eingelesen sind. Die nach den Transformationen erhaltenen Spektren S_i werden vom Prozessor 11 direkt in den Speicher 12 geschrieben. Prinzipiell kann der Speicher 12 mit dem Speicher 10 identisch sein, so daß die Spektren direkt auf die Speicherplätze der Zeitbereiche zurückgeschrieben werden.The complex digital samples obtained in this way are written into a memory 10 so that they are available for a discrete Fourier transformation in time ranges Z _i . During the system time T, n digital two-valued complex samples of the sum signal are to be supplied from the receiving unit according to FIG. 3. Ie the sampling rate is n / d. Then n time ranges Z₁ to Z _{n are} formed, which begin with the first n samples at times t₁ to t _n and then contain values at a distance T. The memory 10 shown in FIG. 4. is filled in columns and the individual time ranges are the n rows of the matrix-shaped memory arrangement. The number N of the columns read and thus the total time t _{g of} the measurement t _g = NT depends on the stationarity of the radio channel. The separation of the signal sections Q _i improves with increasing t _g , as long as the radio channel can be regarded as stationary for this time with respect to the existing propagation paths. Advantageously, N will be chosen so that a fast Fourier transform can be carried out, e.g. B. a Cooley-Tukey-Radix 2 FFT (N = 16, 32, 64, 128,...) Or a Prime Factor FFT (N = 35, 55, 72,...) As described in "DFT / FFT and Oonvolutional Algorithms ", CS Burrus and TW Parks by John Wiley & Sons 1976. The discrete Fourier transformation of the samples of the time ranges Z _i is carried out with the processor 11 , which can be, for example, a special FFT processor, as soon as these have been completely read in. The spectra S _i obtained after the transformations are written directly into the memory 12 by the processor 11 . In principle, the memory 12 can be identical to the memory 10 , so that the spectra are written back directly to the memory locations of the time ranges.

Auch der in Fig. 4 dargestellte Speicher 12 hat eine matrixförmige Anordnung in dessen Zeilen die Spektren S_k bezüglich der Zeitbereiche Z_k mit den Anfangszeiten t_k stehen. In den Spalten stehen dann die Zeitfunktionen z_m, die zu den Frequenzen f_m gehören und in den Werten y_km die verstärkten Werte der wiederkehrenden Signalabschnitte Q_i zu den Zeiten t_k enthalten. The memory 12 shown in FIG. 4 also has a matrix-like arrangement, in the rows of which the spectra S _k are related to the time ranges Z _k with the starting times t _k . The columns then show the time functions z _m which belong to the frequencies f _m and which contain the amplified values of the recurring signal sections Q _i at the times t _k in the values y _km .

Die Trennung der Signalabschnitte Q_i vom Signalrest basiert darauf, daß die Datensignalanteile bei der Fouriertransformation auf das ganze Spektrum nahezu zufällig verteilt werden. Mit der Periodendauer T periodische Signalteile im empfangenen Summensignal werden in der Spektralkomponente f₁=0 akkumuliert und damit gegenüber dem Signalrest verstärkt. Da die Sequenzen Q_i aber mit einer bestimmtem Frequenzabweichungen Δf empfangen werden, die entweder von Frequenzablagen in den Sendern T_i stammten oder auf Doppler- und Fadingfrequenzen zurückzuführen sind, erfolgt die Akkumulation der Signale Q_i an den Frequenzen f_m des Spektrums, wenn f_m oder die um ein Vielfaches der Bandbreite B der Spektren S_i verschobene Frequenz f_m mit der jeweiligen Frequenzabweichung Δf übereinstimmt. Somit werden verschiedene Signalabschnitte Q_i normalerweise an verschiedenen Frequenzen f_m der Spektren S_i akkumuliert, wodurch eine Trennung der Q_i untereinander möglich wird.The separation of the signal sections Q _i from the signal residue is based on the fact that the data signal components are distributed almost randomly over the entire spectrum during the Fourier transformation. With the period T periodic signal parts in the received sum signal are accumulated f₁ = 0 in the spectral component and thus amplified compared to the rest of the signal. However, since the sequences Q _i are received with a certain frequency deviation Δf, which either originated from frequency deposits in the transmitters T _i or can be traced back to Doppler and fading frequencies, the signals Q _i are accumulated at the frequencies f _{m of} the spectrum if f _m or the frequency f _m shifted by a multiple of the bandwidth B of the spectra S _i coincides with the respective frequency deviation Δf. Thus, different signal sections Q _{i are} normally accumulated at different frequencies f _{m of} the spectra S _i , which makes it possible to separate the Q _{i from} one another.

Claims

1. A method for separating recurring signal sections (Q₁, Q₂) of one or more radio signals (C₁, C₂) from a sum signal ( 3 ), which is formed by superimposing on a measuring receiver ( 6 ), the returning signal sections of any length but having the same signal content and their time interval during transmission is an integer multiple of a system time (T), characterized in that the sum signal ( 3 ) is digitized by scanning,
this sequence of samples is divided into time ranges (Z₁ to Z _n ),
the sampling values of these time ranges are converted into spectra (S _i to S _n ) by discrete Fourier transformation (DFT, FFT),
and from these spectra then those time signals (z _m) are read, which are assigned to (f _m) of the same frequency.

2. The method according to claim 1, characterized in that for each Zeitbe range (Z₁ to Z _n ) the samples starting at an initial time (t _k ) in the time interval of the system time (T) are written into a memory ( 10 ).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized characterized in that in education the time ranges an integer multiple (gT) the system time is used.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the time signals (z _m ) at the start times (t₁ to t _n ) of the time ranges from which they are formed, read out and processed.