DE60023260T2

DE60023260T2 - Verfahren und empfänger zur wahl eines modulationsdetektor in einem empfänger

Info

Publication number: DE60023260T2
Application number: DE60023260T
Authority: DE
Inventors: Mikko Huttunen
Original assignee: Airbus Defence and Space Oy
Current assignee: Airbus Defence and Space Oy
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: DE60023260D1; FI110825B; ATE307425T1; US7058148B1; CN1144382C; CN1320303A; EP1119919A1; FI19991696A; EP1119919B1; ES2249287T3; WO2001011790A1; AU6446100A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswählen eines Modulationsdetektors in einem Empfänger.
Wenn Informationen über einen Funkkanal übertragen werden, so muss ein zu übertragendes Signal moduliert werden. Die Modulation hat den Zweck, das Signal in eine Form zu bringen, in der es mit einer Hochfrequenz übertragen werden kann. Eine Anforderung an ein gutes Modulationsverfahren ist beispielsweise, dass es die Übertragung der größtmöglichen Menge an Informationen über das schmalst-mögliche Frequenzband gestattet. Je nach Verwendungszweck kann es auch auf andere Merkmale ankommen. Des Weiteren muss die Modulation so erfolgen, dass sie in möglichst geringem Maß einen benachbarten Kanal stört.
Ein Modulationsverfahren ist die π/4-DQPSK-Modulation (um π/4 verschobene quaternäre Phasendifferenzmodulation). Dieses Modulationsverfahren umfasst acht Phasenzustände, aber nur vier Phasenverschiebungen. Die zulässigen Phasenverschiebungen (Symbole) sind ±π/4 und ±3π/4. Jede Phasenverschiebung entspricht zwei zu übertragenden Bits. Oder anders ausgedrückt: Ein digitales Signal moduliert einen Träger in Zwei-Bit-Sequenzen in einer solchen Weise, dass eine bestimmte Phasenverschiebung während jeder Symbolsequenz jeder Zwei-Bit-Kombination entspricht. "Symbolsequenz" meint hier eine Signalsequenz, die zum Übertragen von zwei Bits verwendet wird. Die Phasenverschiebungen, die den Bit-Kombinationen 00, 01, 10 und 11 entsprechen, sind π/4, 3π/4, –π/4 und –3π/4. Beispielsweise beträgt die Symbolfrequenz, die vom Terrestrischen Bündelfunk (TETRA) verwendet wird, 18 kHz, wodurch die Bitfrequenz 36 kHz beträgt.
Wenn ein Signal empfangen wird, so muss es demoduliert werden, d. h. die Bits, die zu dem Signal moduliert werden, müssen durch einen Detektor erkannt werden, um die darin enthaltenen Informationen herauszubekommen. Ein Empfänger kann mehrere Detektoren umfassen, die für verschiedene Kanalbedingungen optimiert sind. Unter einigen Bedingungen kann auch ein Kanalentzerrer erforderlich sein. Die Auswahl eines zu verwendenden Detektors erfolgt im Allgemeinen in der Weise, dass die Detektoren gleichzeitig arbeiten und jeder einen vergleichbaren fehler-metrischen wert erzeugt, auf dessen Grundlage der Detektor, der für die Bedingungen am besten geeignet ist, ausgewählt werden kann.
Die oben beschriebene Anordnung hat den Nachteil, dass, da die Detektoren gleichzeitig arbeiten, ein erheblicher Teil an Rechenleistung zur Berechnung der Detektoralgorithmen verbraucht wird. Insbesondere ein Kanalentzerrer, der möglicherweise in dem Detektor enthalten ist, erfordert enorme Rechenleistung.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche das Verfahren dergestalt implementiert, dass die oben angesprochenen Nachteile beseitigt werden können. Die wird mit einem Verfahren und einem Empfänger erreicht, die durch das gekennzeichnet sind, was in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 6 offenbart ist. Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Die Erfindung gründet sich auf den Gedanken, dass ein Querkorrelationsergebnis, das aus einer Symbolsynchronisation erhalten wird, verwendet wird, wenn auf einen geeigneten Detektortyp zugegriffen wird, der von den auf dem Funkkanal herrschenden Bedingungen gefordert wird.
Das Verfahren und die Anordnung der Erfindung haben den Vorteil, dass die Anzahl der Berechnungen, die für das Erkennen benötigt werden, in dem Empfänger minimiert werden können, da ein gleichzeitiger Betrieb mehrerer Detektoren nicht erforderlich ist. Insbesondere ist dies bei Endgeräte-Anwendungen mit begrenzter Rechenleistung von Vorteil. Mittels der Erfindung ist es außerdem möglich, den optimalen Detektortyp auszuwählen, um den auf dem Funkkanal herrschenden Bedingungen gerecht zu werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung eingehender in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen und unter Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Blockschaubild eines Empfängeraufbaus gemäß der Erfindung.
2 ist eine vereinfache schematische Ansicht eines Rahmenaufbaus in dem TETRA-System.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit dem TETRA-System beschrieben, ohne dass beabsichtigt ist, die Erfindung auf ein bestimmtes System oder Modulationsverfahren zu beschränken.
In dem TETRA-System werden Informationsbits, die von einer Medienzugriffsschicht (MAC) eines Übertragungspfades kommend empfangen wurden, durch Blockcodierung und Faltungscodierung dergestalt codiert, dass Fehler, die in dem Signal auf einem Funkpfad auftreten, erkannt und eventuell bei Empfang korrigiert werden. Die codierten Bits werden dergestalt verschachtelt, dass nachfolgende Bits weit voneinander entfernt liegen. Dies erleichtert die Fehlerkorrektur, wenn das zu übertragende Signal einer momentanen Störung auf dem Funkpfad ausgesetzt wird. Die verschachtelten Bits werden unter Verwendung eines bestimmten Farbcodes vermischt, wodurch die Übertragungen verschiedener Basisstationen identifiziert werden können. Beim Multiplexen werden Bits von verschiedenen logischen Kanäle kombiniert. Anschließend wird ein Burst anhand der gemultiplexten Bits gebildet. Ein Burst ist eine Struktur, die in einem einzigen Zeitschlitz oder Teilzeitschlitz eines Vielfachzugriffs im Zeitmultiplex (TDMA) übertragen wird. Der Burst besteht aus Datenbitfeldern 20 und 22 und einer dazwischenliegenden Trainingssequenz 21 in der Mitte des Bursts, wie in 2 veranschaulicht. Die Trainingssequenz 21 ist eine vorgegebene Bitsequenz, die dergestalt im Speicher eines Empfängers gespeichert ist, dass eine Trainingssequenz des empfangenen Signals mit der gespeicherten Trainingssequenz verglichen werden kann. Die Trainingssequenz 21 kann beispielsweise zum Synchronisieren des Empfangs und zum Identifizieren des empfangenen Signals verwendet werden. Differenzcodierung erzeugt Modulierungssymbole aus Bitpaaren in einem Burst. Ein Träger, der durch Steuerung von Symbolen moduliert wird, wird in einem Sender verstärkt und auf einem Funkpfad übertragen.
Die Modulation ist die oben beschriebene π/4-DQPSK-Modulation (um π/4 verschobene quaternäre Phasendifferenzmodulation). Dieses Modulationsverfahren umfasst acht Phasenzustände, aber nur vier Phasenverschiebungen. Die zulässigen Phasenverschiebungen (Symbole) sind ±π/4 und ±3π/4. In der Praxis variiert die π/4-DQPSK-Konstellation somit in Symbolintervallen zwischen zwei 4-Punkt-Konstellationen.
1 ist ein Blockschaubild eines Empfängeraufbaus der Erfindung beispielsweise für das TETRA-System. Es sind nur jene Teile des Empfängers gezeigt, die für das Verstehen der Erfindung von Bedeutung sind. Beim Empfang wird ein von einer (nicht gezeigten) Antenne kommendes Signal empfangen, und das Signal wird zunächst durch (nicht gezeigte) Hochfrequenzteile verarbeitet. Anschließend tasten (nicht gezeigte) A/D-Wandler das Zwischenfrequenzsignal ab. Die Abtastwerte werden einem Synchronisierungsblock 100 zugeleitet, wie durch das Signal IN in 1 veranschaulicht. Der Synchronisierungsblock 100 durchsucht die erhaltenen Abtastwerte nach einer Trainingssequenz 21, die zu der Rahmenstruktur gehört. Dadurch ist der Synchronisierungsblock 100 in der Lage, exakt einen idealen Abtastmoment, d. h. Positionen aller Symbole in einem Abtastwerte-Strom, zu bestimmen. Dies ist auch als "Symbolsynchronisation" bekannt. Es erfolgt durch Berechnen einer komplexen Querkorrelation (auch als „Kreuzkorrelation" bezeichnet) zwischen der Trainingssequenz 21 des empfangenen Signalbursts und der gespeicherten Trainingssequenz zu verschiedenen Abtastmomenten. Der Begriff "Querkorrelation" meint allgemein ein Integral des Produkts zweier Signale, was anzeigt, wie gut die Signale einander entsprechen. Somit ist der Abtastmoment des empfangenen Signals, der den maximalen Querkorrelationswert erzeugt, der ideale Abtastmoment, und die Synchronisierung wird entsprechend in einer bekannten Weise ausgeführt. Bei dem beschriebenen Beispiel im Zusammenhang mit dem TETRA-System ist die zu berechnende Querkorrelation komplex, weil das Signal IN ein komplexes Signal ist. Der Synchronisierungsblock 100 steuert auch die Hochfrequenzteile des Empfängers, damit das Signal, das bei dem A/D-Wandler ankommt, auf einem optimalen Pegel bleibt.
Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung werden Korrelationsdaten, die aus der Synchronisation 100 erlangt wurden, zur Beurteilung eines Detektortyps 103A oder 103B, der von den auf dem Funkkanal herrschenden Bedingungen gefordert wird, verwendet. So entspricht das Maximum des Querkorrelationsergebnisses, das aus der Synchronisation 100 erlangt wird, dem idealen Synchronisationspunkt, wie oben beschrieben. In einem Idealfall, wo es keine Störungen auf dem Funkpfad gibt, befinden sich die Querkorrelations-Nullpunkte in einem Abstand von einer Symbolsequenz vor und hinter dem idealen Synchronisationspunkt. Oder anders ausgedrückt: Wenn ein Abtastpunkt um eine Symbolsequenz von dem idealen Synchronisationspunkt nach vorn oder zurück verschoben wird und eine Querkorrelation zwischen der erlangten Trainingssequenz und der gespeicherten Trainingssequenz berechnet wird, so ist das Ergebnis im Idealfall gleich Null. Wenn jedoch eine Mehrpfadausbreitung in dem Funkkanal erscheint, so beginnen Werte, die von Null abweichen, d. h. Leistung, an diesen Querkorrelations-Nullpunkten zu erscheinen. In dieser Spezifikation bezieht sich der Begriff "Querkorrelations-Nullpunkt" auf die oben beschriebene Querkorrelation, die im Abstand einer einzelnen Symbolsequenz vom Maximum der Querkorrelation bestimmt wurde, was im Idealfall, wenn es keine Störung auf dem Funkpfad gibt, ein Ergebnis von Null ergibt, aber für den Fall, dass eine Störung vorliegt, nicht unbedingt Null ist.
Es ist für den Funkpfad typisch, dass das übertragene Signal über mehrere Ausbreitungspfade am Empfänger ankommt, von denen jeder eine spezifische Zeitverzögerung aufweist, und dass sich überdies die Kanaleigenschaften in Abhängigkeit von der Zeit ändern. Beispielsweise erzeugen Strahlen, die auf dem Funkpfad reflektiert und verzögert werden, Interferenzen zwischen den Symbolen (ISI). Der Frequenzgang oder die Impulsantwort des Kanals kann durch ein Einzelzeitfilter, d. h. eine Kanalschätzfunktion, geschätzt werden, dessen Abgriffskoeffizienten den Funkkanal modellieren. Das Ziel ist es, den Zustand des Funkkanals durch eine Kanalschätzung zu beschreiben. In der vorliegenden Spezifikation meint der Begriff "Kanalschätzfunktion" allgemein einen Mechanismus, der eine Beschreibung der komplexen Impulsantwort des Funkkanals schätzt und verwaltet. Ein Verfahren, mit dem die Kanalschätzung aktualisiert wird, ist im Wesentlichen mit diesem Mechanismus verbunden. In dem TETRA-System kann beispielsweise ein Quadratmittel-Algorithmus zum Aktualisieren der Kanalschätzungen verwendet werden. Um zu gewährleisten, dass der Quadratmittel-Algorithmus vor dem Beginn der eigentlichen Informationsbits konvergiert wird, muss der Detektor 103A oder 103B die bestmögliche Erstschätzung zum Zustand des Kanals erhalten. Diese Schätzung wird aus der Synchronisierung 100 erhalten, die eine komplexe Querkorrelation zwischen der Trainingssequenz 21 des empfangenen Signals und der gespeicherten Version der Trainingssequenz errechnet, wenn sie einen optimalen Abtastmoment sucht. Das Querkorrelationsergebnis erbringt einen ersten Wert für die Kanalschätzung, wobei dieser erste Wert einen durchschnittlichen Zustand des Kanals während der Trainingssequenz anzeigt. Kanalkorrektur und Symbolerkennung beginnen erst, nachdem die Trainingssequenz empfangen wurde. Dies gewährleistet, dass die Symbolsynchronisation in der Lage ist, die zeitliche Steuerung von Symbolen so exakt wie möglich einzustellen und die Erstschätzung des Kanals zu generieren. Die Kanalkorrektur sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtung vollzieht sich vorzugsweise so, dass nach der Initialisierung der Schätzungen der Detektor 103A oder 103B über die Trainingssequenz 21 in Richtung des Endes des Bursts bzw. in Richtung des Anfangs des Bursts trainiert wird. Folglich ist es, wenn es zu einer erheblichen Mehrpfadausbreitung kommt, besonders bevorzugt, einen Detektor zu benutzen, der mit einem Kanalentzerrer ausgestattet ist, und wenn es hingegen zu keiner Mehrpfadausbreitung kommt, so kann beispielsweise ein herkömmlicher Differenzdetektor als der Detektor verwendet werden.
Der Synchronisierungsblock 100 leitet den empfangenen Signalrahmen zu einer Auswahleinheit 102, die den zu verwendenden Detektor 103A oder 103B auf der Grundlage der Korrelationsdaten auswählt und den Rahmen über einen Ausgang A oder B an den ausgewählten Detektorblock 103A oder 103B weiterleitet. Der Detektor 103A oder 103B erkennt die Informationsbits, und der ihm zugeordnete optionale Kanalentzerrer korrigiert nicht-ideale Umstände, die durch den Funkkanal verursacht wurden, in einer bekannten Weise, wie oben beschrieben. Schließlich wird bei der Rahmung 104 der Rahmen zu einem logischen Kanal geformt, der zur Weiterverarbeitung OUT weitergeleitet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Synchronisierung 100 die komplexe Querkorrelation zwischen der Trainingssequenz 21 des empfangenen Signals und der gespeicherten Trainingssequenz an einem Nullpunkt oder an beiden Nullpunkten der Querkorrelation wie oben beschrieben bestimmt. Wenn die Querkorrelation an beiden Nullpunkten errechnet wird, so ist es möglich, einen Mittelwert der beiden erhaltenen Werte zu errechnen, oder sie können summiert werden, wodurch ein einzelner Querkorrelationswert erhalten wird. Alternativ ist es auch möglich, zwei separate Querkorrelationswerte in der weiteren Verarbeitung zu verwenden. Mittels des einen oder der mehreren Werte der erhaltenen Querkorrelation wird der Detektor 103a oder 103b, der für die Symbolerkennung verwendet werden soll, mit der Auswahleinrichtung 102 ausgewählt. Einer der Detektoren, beispielsweise 103A, umfasst vorzugsweise einen Kanalentzerrer, und folglich wird – wenn der absolute Wert der ermittelten komplexen Querkorrelation einen bestimmten vorgegebenen Grenzwert übersteigt – der Detektor 103A, der mit dem Kanalentzerrer ausgestattet ist, verwendet, und wenn der absolute Wert der ermittelten komplexen Querkorrelation unterhalb eines bestimmten vorgegebenen Grenzwertes liegt, so wird der andere Detektor, 103B, der beispielsweise ein Differenzdetektor ist, verwendet. Es kann mehr als zwei Detektortypen geben, und sie können sich von den oben beschriebenen Detektoren unterscheiden, ohne dass dies für den Grundgedanken der Erfindung eine Bedeutung hätte. Vorzugsweise ist nur einer der Detektoren 103A oder 103B, die zur Erkennung verwendet werden, in Betrieb, was die Rechenleistung minimiert, die zur Erkennung benötigt wird.
Des Weiteren erfolgt gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Auswahl des Detektors 103A oder 103B durch Mitteln der Querkorrelationswerte mehrerer empfangener Zeitschlitze. Dies kann über einen Mittelwertbildner 101 erfolgen, welche die Korrelationsdaten von der Synchronisierung 100 empfängt, wie in 1 veranschaulicht. Die errechneten Mittelwertdaten, anhand derer die Auswahl des Detektors erfolgt, werden so auf die Auswahleinrichtung 102 angewendet. Der Mittelwert wird beispielsweise im Anschluss an jeden empfangenen Burst für eine bestimmte Anzahl vorangegangener Bursts errechnet. Die Auswahl 102 des Detektors erfolgt beispielsweise durch Vergleichen des Mittelwertes mit einem vorgegebenen Grenzwert, wie oben beschrieben wurde.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wurde oben ein Beispiel des allgemeinen Aufbaus des Empfängers beschrieben. Der Aufbau des Empfängers kann jedoch verändert werden, ohne dass von der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Dem Fachmann ist klar, dass der Grundgedanke der Erfindung im Verlauf des weiteren Voranschreitens der Technologie auf vielfältige Weise implementiert werden kann. Somit sind die Erfindung und ihre Ausführungsformen nicht auf die oben beschriebenen Erfindungen beschränkt, sondern sie können innerhalb des Geltungsbereichs der Ansprüche variieren.

Claims

Verfahren zur Auswahl eines Modulationsdetektors in einem Empfänger, der wenigstens einen ersten und einen zweiten Detektor umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Ermitteln wenigstens eines Querkorrelationswertes zwischen einer gespeicherten Trainingssequenz und wenigstens einer Trainingssequenz eines empfangenen Signals, gekennzeichnet durch: das Auswählen eines Detektors, der zum Erkennen eines zu empfangenden Signals verwendet wird, auf der Basis des ermittelten wenigstens einen Querkorrelationswertes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ermittelns wenigstens eines Querkorrelationswertes die folgenden Schritte umfasst: Suchen eines idealen Synchronisationspunktes des empfangenen Signals, an dem die Querkorrelation zwischen der Trainingssequenz des empfangenen Signals und der gespeicherten Trainingssequenz den Höchstwert erreicht; und Berechnen des Querkorrelationswertes zwischen der gespeicherten Trainingssequenz und der Trainingssequenz des empfangenen Signals, der durch Verschieben des Synchronisationspunktes des empfangenen Signals von dem idealen Synchronisationspunkt aus um eine Symbolsequenz nach vorn erhalten wird; und/oder Berechnen des Querkorrelationswertes zwischen der gespeicherten Trainingssequenz und der Trainingssequenz des empfangenen Signals, der durch Verschieben des Synchronisationspunktes des empfangenen Signals von dem idealen Synchronisationspunkt aus um eine Symbolsequenz nach hinten erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das empfangene Signal ein komplexes Signal ist, wobei wenigstens ein zu ermittelnder Querkorrelationswert ein komplexer Querkorrelationswert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch: Durchführen des Schrittes des Ermittelns wenigstens eines Querkorrelationswertes für eine bestimmte Anzahl von Trainingssequenzen des empfangenen Signals, Berechnen eines absoluten Wertes des Durchschnitts der ermittelten Querkorrelationswerte; und Auswählen des ersten Detektors zum Erkennen des zu empfangenden Signals, wenn der absolute Wert des Durchschnitts der Querkorrelationswerte einen zuvor festgelegten Grenzwert überschreitet, und des zweiten Detektors, wenn der absolute Wert des Durchschnitts der Querkorrelationswerte unter einem zuvor festgelegten Grenzwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor einen Kanalentzerrer enthält.
Empfänger, der Folgendes umfasst: einen ersten (103A) und einen zweiten (103B) Modulationsdetektor; Mittel (100) zum Ermitteln wenigstens eines Querkorrelationswertes zwischen wenigstens einer Trainingssequenz (21) eines empfangenen Signals (IN) und einer gespeicherten Trainingssequenz, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger des Weiteren Folgendes umfasst: Mittel (102) zum Auswählen des Detektors (103A, 103B), der zum Erkennen des zu empfangenden Signals in Reaktion auf den ermittelten wenigstens einen Querkorrelationswert verwendet wird.
Empfänger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (100) zum Ermitteln wenigstens eines Querkorrelationswertes für folgende Aktionen konfiguriert sind: Suchen eines idealen Synchronisationspunktes des empfangenen Signals (IN), an dem die Querkorrelation zwischen der Trainingssequenz (21) des empfangenen Signals und der gespeicherten Trainingssequenz den Höchstwert erreicht; und Berechnen des Querkorrelationswertes zwischen der gespeicherten Trainingssequenz und der Trainingssequenz des empfangenen Signals, der durch Verschieben des Synchronisationspunktes des empfangenen Signals von dem idealen Synchronisationspunkt aus um eine Symbolsequenz nach vorn erhalten wird; und/oder Berechnen des Querkorrelationswertes zwischen der gespeicherten Trainingssequenz und der Trainingssequenz des empfangenen Signals, der durch Verschieben des Synchronisationspunktes des empfangenen Signals von dem idealen Synchronisationspunkt aus um eine Symbolsequenz nach hinten erhalten wird.
Empfänger nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das empfangene Signal (IN) ein komplexes Signal ist, wobei wenigstens ein zu ermittelnder Querkorrelationswert ein komplexer Querkorrelationswert ist.
Empfänger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er des Weiteren Mittel (101) umfasst, die für folgende Aktionen konfiguriert sind: Erfassen einer zuvor festgelegten Anzahl von Querkorrelationswerten, die anhand der Trainingssequenzen des empfangenen Signals ermittelt wurden, und Berechnen eines absoluten Wertes des Durchschnitts der ermittelten Querkorrelationswerte, wobei die Mittel (102) zum Auswählen des Detektors für folgende Aktionen konfiguriert sind: Auswählen des ersten Detektors (103A) zum Erkennen des zu empfangenden Signals, wenn der absolute Wert des Durchschnitts der Querkorrelationswerte einen zuvor festgelegten Grenzwert überschreitet, und des zweiten Detektors (103B), wenn der absolute Wert des Durchschnitts der Querkorrelationswerte unter einem zuvor festgelegten Grenzwert liegt.
Empfänger nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (103A) einen Kanalentzerrer enthält.