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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kommunikationssysteme
und insbesondere auf Kommunikationssysteme wie z.B. drahtlose Zeitmultiplexzugriffs(TDMA)-Systeme,
die Differential-Quadraturphasen-umtast(DQPSK von englisch ,quadrature
Phase-shift-keyed')-Modulation
oder andere Typen von Phasenmodulation nutzen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
als π/4
DQPSK bekannte Phasenmodulationstechnik wird genutzt, um digitale
Daten in bestimmten Typen von Kommunikationssystemen, wie z.B. drahtlosen
TDMA-Systemen, zu übertragen. Gemäß dieser
Technik werden Daten durch das Ändern
der Phase eines modulierten Signals übertragen. Jede Phasenverschiebung über einen
spezifischen Zeitraum wird als ein Symbol bezeichnet. Die Technik
erreicht eine Erhöhung
spektraler Effizienz durch das Multiplexen von zwei Signalen in
Phasenquadratur. Die zwei Signale, ein gleichphasiges (I) Signal
und ein bezüglich
der Phase das Signals I um 90° phasenverschobenes
Quadratur(Q)-Signal, werden auf ein Trägersignal moduliert, um ein
für die Übertragung
geeignetes QPSK-Signal zu bilden. Im Fall von π/4 DQPSK sind die vier möglichen
Phasenverschiebungen ±π/4 (±45°) und ±3 π/4 (±135°) und eine
typische Symbolperiode T in einem herkömmlichen drahtlosen IS-136
oder IS-54 TDMA-System ist 41,2 μs.
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Ein
herkömmlicher π/4 DQPSK-Demodulator
unterdrückt
das Trägersignal
und stellt das I- und das Q-Signal wieder her. Das I- und das Q-Signal werden
in Intervallen von T/4 abgetastet und unter Verwendung eines Analog-Digital(A/D)-Wandlers digitalisiert.
Die digitalisierten Abtastwerte werden dann in einem Digitalsignalprozessor
(DSP) verarbeitet, um die Phase des Symbols und seine Si gnalstärke wiederherzustellen. 1 erläutert den
T/4-Abtastprozess für
ein gegebenes I- oder Q-Signal. Das I- oder das Q-Signal weist einen
Strom von Symbolen auf, die in diesem Beispiel als N – 1, N,
N + 1, N + 2 usw. bezeichnet werden. Jedes der Symbole des I- oder
des Q-Signals wird wie gezeigt in Intervallen von T/4 abgetastet.
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Allgemein
ist zwischen einer Basisstation und einer Mobileinheit in einem
drahtlosen TDMA-System die T/4-Abtastung von Symbolen in einem DQPSK-Demodulator generell
bezüglich
des übertragenen
Symbols asynchron. Im besten Fall, erläutert in 2,
werden die vier T/4-Abtastwerte für ein gegebenes Symbol während des
stabilsten Teils des gegenwärtigen
Symbols, d.h. des Symbols N, genommen. Der schlechteste Fall, erläutert in 3, tritt
auf, wenn einer der T/4-Abtastwerte am Übergang zwischen dem gegenwärtigen Symbol
N und einem vorherigen Symbol N – 1 oder einem nachfolgenden
Symbol N + 1 genommen wird. Wenn die Abtastwerte asynchron genommen
werden, kann dem schlechtesten Fall vorgebeugt werden durch das
Vergleichen der Qualität
eines ungeraden Abtastpaars, d.h. der Abtastwerte 1 und 3 in 3,
mit der eines geraden Abtastpaars, d.h. der Abtastwerte 2 und 4
in 3, in jedem Satz von vier T/4-Abtastwerten und das
Behalten nur des besten Paars für
jedes Symbol. Dieser Ansatz stellt sicher, dass es mindestens zwei akzeptable
Abtastwerte pro Symbol von den in dem Symbolintervall genommenen
vier T/4-Abtastwerten gibt, wodurch eine effektive T/2-Abtastqualität gewährleistet
wird. Auch wenn ein ähnlicher
Ansatz mit einer höheren
T/8-Abtastrate verwendet werden könnte, um eine effektive T/4-Abtastqualität sicherzustellen,
wäre allgemein
ein leistungsfähigerer A/D-Wandler
und DSP erforderlich, wodurch die Komplexität und die Kosten des Demodulators
steigen.
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Deshalb
besteht ein Bedarf an einer Phasendemodulationstechnik, die den
Abtastprozess besser mit den empfangenen Symbolen synchronisieren kann,
so dass im Bezug zu den oben beschriebenen herkömmlichen Techniken eine verbesserte
Leistungsfähigkeit
erreicht werden kann, ohne die Komplexität und die Kosten, die mit dem
Demodulationsprozess verbunden sind, wesentlich zu erhöhen.
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Das
Dokument
US-A-3 919
651 beschreibt ein Verfahren zum Korrigieren von Frequenzschwankungen,
die eine negative Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit eines Differentialphasendemodulators haben
können,
der Verzögerungsstrecken
verwendet. Wenn die empfangene Frequenz nicht exakt an die Verzögerungsstrecken
angepasst wird, dann können
Demodulationsfehler auftreten. Ein FM-Demodulator wird verwendet,
um den Frequenzfehler zu bestimmen, und das erhaltene Ergebnis wird
verwendet, um den Frequenzumsetzer zu steuern, der das ZF-Signal
erzeugt, wodurch die Frequenzschwankungen korrigiert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen.
Gemäß einem
anderen Aspekt ist eine Vorrichtung nach Anspruch 12 vorgesehen.
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Die
Erfindung sieht verbesserte Phasendemodulationstechniken für die Verwendung
mit Quadraturphasenumtastung (QPSK) unterzogenen Signalen und anderen
Typen von phasenmodulierten Signalen in einem Kommunikationssystem
vor. Diese Phasendemodulationstechniken nutzen eine Abtastzeitsteuerung,
die mindestens teilweise auf Frequenzinformation basiert, die durch
die Frequenzdemodulation des phasenmodulierten Signals erzeugt wird.
In einer erläuternden
Ausführungsform
der Erfindung wird ein phasenmoduliertes Signal in einen ersten
und einen zweiten Teil getrennt. Der erste Teil wird dann phasendemoduliert,
um demodulierte Symbole zu erzeugen, während der zweite Teil frequenzdemoduliert
wird, um ein Maß der
Momentanfrequenz des phasenmodulierten Signals zu erzeugen. Das
Momentanfrequenzmaß wird
dann verarbeitet, um einen oder mehrere Symbolübergänge zu identifizieren, und
die identifizierten Übergänge werden
verwendet, um die Abtastzeitsteuerung so herzustellen, dass eine
korrekte Abtastung der Symbole sichergestellt ist. Zum Beispiel
kann das Maß der
Momentanfrequenz des phasenmodulierten Signals ein Signal mit einer
Signatur sein, die einem besonderen in dem System genutzten Synchronisationswort
zugeordnet ist, und kann verarbeitet werden, um Information zu erzeugen,
die in einem Digitalsignalprozessor (DSP) oder einer anderen geeigneten
Schaltungsanordnung verwendet wird, um ein beim Abtasten der demodulierten
Symbole verwendetes Abtasttaktsignal zu erzeugen, anzupassen oder
anderweitig zu steuern.
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Durch
das Sicherstellen von korrekter Symbolzeitsteuerung in dem Demodulationsprozess schafft
die Erfindung eine wesentlich verbesserte Bitfehlerraten(BER von
englisch ,bit error rate')-Leistungsfähigkeit
für die
empfangenen Daten. Zum Beispiel kann die Erfindung in einem System,
das π/4 DQPSK-Modulation
nutzt, eine erwünschte
T/4-Symbolabtastung ohne jegliche Erhöhung der Abtastrate oder der
Komplexität
und Kosten des Demodulators sicherstellen. Obwohl die Erfindung
besonders gut für
die Verwendung in Anwendungen wie z.B. drahtlosen TDMA-Systemen
geeignet ist, kann sie ähnliche
Vorteile in zahlreichen anderen Kommunikationssystemanwendungen
schaffen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1, 2 und 3 stellen
die Abtastung von Symbolen gemäß einer
herkömmlichen π/4 DQPSK-Demodulationstechnik
dar.
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4 ist
ein Blockdiagramm eines Empfängers
gemäß einer
erläuternden
Ausführungsform
der Erfindung.
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5 zeigt
eine FM-Demodulatorausgabe, die in dem Empfänger aus 4 erzeugt
werden kann, zusammen mit dem entsprechenden demodulierten I-Ausgabesignal
und dem entsprechenden demodulierten Q-Ausgabesignal.
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6 zeigt
eine simulierte Version der FM-Demodulatorausgabe aus 5.
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7 ist
eine Tabelle, die einen Satz von Synchronisationswörtern zeigt,
die genutzt werden können,
um eine Abtastzeitsteuerung in dem Empfänger aus 4 für ein beispielhaftes
TDMA-System gemäß der Erfindung
zu schaffen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird untenstehend in Verbindung mit beispielhaften
Quadraturphasenumtast(QPSK)-Demodulationstechniken erläutert. Es
sollte jedoch verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die
Verwendung mit irgendeinem bestimmten Typ von Kommunikationssystem
beschränkt
ist, sondern stattdessen allgemeiner auf jedes System anwendbar
ist, in dem das Schaffen einer verbesserten Phasendemodulationsleistungsfähigkeit
ohne eine übermäßig erhöhte Systemkomplexität wünschenswert
ist. Zum Beispiel wird dem Fachmann klar sein, dass die Erfindung
auf die Demodulation einer großen
Vielfalt von anderen Typen von phasenmodulierten Signalen angewandt
werden kann.
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4 zeigt
ein Blockdiagramm eines QPSK-Empfängers 100 gemäß einer
erläuternden Ausführungsform
der Erfindung. Der QPSK-Empfänger 100 kann
verwendet werden, um z.B. ein in Verbindung mit 1 bis 3 beschriebenes π/4 DQPSK-Signal
oder einen anderen Typ von QPSK-Signal zu demodulieren. Ein über eine
Empfängerantenne 102 empfangenes
QPSK-moduliertes Trägersignal
wird in einem Mischer/Abwärtswandler 104 abwärtsgewandelt
und in einem Filter 106 Bandpass-gefiltert, um das QPSK-Signal
wiederherzustellen. Das QPSK-Signal wird dann in einem 1:2 Splitter 108 in
zwei getrennte Halbwertteile gesplittet. Der erste Teil des QPSK-Signals
wird an einen herkömmlichen
QPSK-Demodulator 110 angelegt. Das gleichphasige (I) und
das Quadratur(Q)-Signal,
die von dem QPSK-Demodulator 110 erzeugt werden, werden
an einen Analog/Digital(A/D)-Wandler 112 angelegt, der
die entsprechenden Symbole abtastet, um eine digitale I- und eine
digitale Q-Ausgabe zu erzeugen, um sie in einem first-in first-out
(FIFO) Puffer 114 zu speichern.
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Gemäß der Erfindung
wird der zweite Teil des QPSK-Signals durch einen Frequenzmodulations(FM)-Demodulator 120 geführt, um
ein Maß der Momentanfrequenz
des Signals zu erzeugen, das die Ableitung der Phase ist, die die übertragenen
Daten enthält.
Der FM-Demodulator 120 kann z.B. einen FM-Diskriminator
und/oder eine andere bekannte FM-Demodulationsschaltungsanordnung
aufweisen. Die Momentanfrequenzausgabe des FM-Demodulators 120 wird
dann an einen Spitzendetektor 124 angelegt. Der Spitzendetektor
erzeugt eine Signatur, die einem Digitalsignalprozessor (DSP) 126 zugeführt wird.
Der DSP 126 verwendet diese Signatur, um ein geeignetes
Abtastzeitsteuerungssignal zu erzeugen, das einem Abtastzeitsteuerungsgenerator 128 zugeführt wird.
Das Abtastzeitsteuerungssignal kann z.B. anzeigen, dass die Abtastzeitsteuerung
auf der Basis der Signatur des Spitzendetektors 124 beschleunigt
oder verzögert
werden soll. Der DSP 126 kann z.B. einen herkömmlichen
Nulldurchgangsdetektor und eine geeignete Logikschaltungsanordnung aufweisen,
um die ge eignete Abtastzeitsteuerung auf der Basis der von dem Spitzendetektor 124 gelieferten
Signatur zu bestimmen. Die Signatur kann z.B. verwendet werden,
um den Anfang oder das Ende eines gegebenen Symbols in einem Strom
von Symbolen zu bestimmen.
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In
alternativen Ausführungsformen
können einer
oder mehrere des Nulldurchgangsdetektors, der Logikschaltungsanordnung
oder der anderen Verarbeitungselemente getrennt von dem DSP 126 implementiert
sein. Ferner können
zahlreiche andere Anordnungen von Schaltungsanordnung verwendet werden,
um ein Maß der
Frequenz eines phasenmodulierten Signals zu erzeugen. Der Begriff "Maß der Frequenz", wie hierin verwendet,
soll jeglichen Typ von Frequenzinformation umfassen, der von einem phasenmodulierten
Signal abgeleitet und genutzt werden kann, um Abtastzeitsteuerung
zu steuern. Ein Maß der
Frequenz kann deshalb ein Maß einer Momentanfrequenz
oder ein anderer Typ von Frequenzinformation sein, die für die Verwendung
bei der Abtastzeitsteuerung geeignet ist.
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Der
Abtastzeitsteuerungsgenerator 128 erzeugt ein Abtasttaktsignal,
das an den A/D-Wandler 112 angelegt und bei der Abtastung
des I- und des Q-Signalsymbols verwendet wird. Die Zeitsteuerung des
Abtasttaktsignals basiert folglich auf der von dem Spitzendetektor 124 gelieferten
Signatur und kann so eingerichtet werden, dass eine erwünschte T/4-Abtastung
innerhalb eines gegebenen Symbols geschaffen wird. Die digitale
I- und die digitale Q-Ausgabe, die von dem FIFO 114 ausgegeben
werden, können
an den DSP 126 zum weiteren Verarbeiten, z.B. zum Erzeugen
eines entsprechenden Ausgabedigitaldatenbitstroms eines erwünschten
Formats, geliefert werden.
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5 zeigt
ein Beispiel für
eine FM-Demodulatorausgabe, die in dem Empfänger aus 4 erzeugt
werden kann, zusammen mit dem entsprechenden I- und dem entsprechenden
Q-demodulierten Ausgabesignal. Jede horizontale Teilung in den graphischen
Darstellungen aus 5 entspricht 2T, d.h. zweimal
der Symbolperiode T. Das oberste Signal in 5 stellt
die Signalausgabe einer FM-Diskriminatorschaltung in dem FM-Demodulator 120 aus 4 dar,
wie sie aus dem zweiten Teil eines QPSK-Signals erzeugt wird, wenn
die modulierten Daten einem bestimmten Synchronisationswort, d.h. dem
Synchronisati onswort 1 aus 7, entsprechen.
Das I- und das Q-Signal, die in 5 gezeigt sind,
sind die entsprechenden I- und Q-Ausgaben des QPSK- Demodulators 110,
die aus dem ersten Teil des gleichen QPSK-Signals erzeugt werden.
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6 zeigt
eine entsprechende simulierte Version der Momentanfrequenzänderungen,
die den Symbol-zu-Symbol-Phasenänderungen
in dem Synchronisationswort 1 aus 7 zugeordnet
sind. Es ist zu sehen, dass die Signalausgabe des FM-Diskriminators,
wie in 5 gezeigt, ziemlich genau den simulierten Momentanfrequenzänderungen,
wie in 6 gezeigt, entspricht. Die Tabelle aus 7 zeigt die
Phasenänderungen über einen
Satz von 14 Symbolen, S0 bis S13, für jedes von sechs möglichen Synchronisationswörtern, d.h.
der synchronen Wörter
1 bis 6 in einem beispielhaften IS-136 TDMA-System, wie z.B. dem
in dem TIA/EIA 627 Standard, IS-136.2-A beschriebenen.
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Jedes
der in der Tabelle aus 7 gezeigten Synchronisationswörter schafft
eine einzigartige Signatur, die in dem Empfänger 100 verwendet
werden kann, um geeignete Abtastzeitsteuerungsinformation zu erzeugen.
Die Synchronisationswortsignatur am Ausgang des Spitzendetektors
kann folglich verwendet werden, um den im Wesentlichen genauen Moment
des Anfangs einer Phasenänderung
in einem gegebenen Symbol zu erfassen. Wie oben angemerkt, kann
der DSP 126 z.B. einen herkömmlichen Nullübergangsdetektor
und eine geeignete Logikschaltungsanordnung aufweisen, um eine solche
Bestimmung zu machen. Man beachte, dass die für das Synchronisationswort
1 in 7 gegebenen Phasenänderungen zu den in 5 und 6 gezeigten Momentanfrequenzänderungen
führen.
Zum Beispiel haben die ersten vier Symbole S0, S1, S2 und S3 Phasenverschiebungen
von –π/4, –π/4, –π/4, bzw.
3 π/4, wie
in 7 gezeigt. Infolgedessen führen die Symbole S0, S1 und
S2 zu keiner wesentlichen Änderung
in der Momentanfrequenz, aber führt
das Symbol S3 zu einer wesentlichen Änderung in der Momentanfrequenz,
wie in 6 gezeigt. Die Detektierung einer Signatur, die
dem Synchronisationswort 1 entspricht, kann folglich verwendet werden,
um den Anfang des Symbols S3 zu bestimmen, und diese Information
kann verwendet werden, um eine entsprechende T/4-Abtastzeitsteuerung
für nachfolgende empfangene
Symbole herzustellen.
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Durch
das Verwenden solcher Synchronisationswörter zur Erzeugung von Abtastzeitsteuerung ist
es möglich,
sicherzustellen, dass die π/4-Abtastung
der erwünschten
Zeitsteuerung, z.B. der T/4-Abtastzeitsteuerung des besten Falls,
entspricht, wie in Verbindung mit 2 erläutert und
beschrieben wird. Dies verbessert die BER-Leistungsfähigkeit
der empfangenen Daten wesentlich, ohne irgendeine Erhöhung der
Abtastrate oder der Komplexität
und der Kosten zu erfordern, die mit dem Demodulationsprozess verbunden
sind.
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Da
die Ausgabe des FM-Demodulators 120 die Momentanfrequenz
des Signals ist, die die Ableitung der Phase ist, besteht keine
Notwendigkeit für eine
automatische Verstärkungssteuerung
oder eine automatische Frequenzkorrektur. Dies bedeutet, dass die
Abtastzeitsteuerungserzeugungstechnik der vorliegenden Erfindung
gegenüber
Faktoren, wie z.B. Verstärkungsschwankungen,
Fading, Geschwindigkeit, Abstand, Filtergruppenverzögerung und
Verarbeitungszeit, die mit der Übertragungsquelle
verbunden sind, resistent sind.
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Es
sollte hervorgehoben werden, dass die hierin beschriebenen beispielhaften
Demodulationstechniken die Arbeitsweise der Erfindung erläutern sollen,
und deshalb nicht als die Erfindung auf irgendeine bestimmte Ausführungsform
oder Gruppe von Ausführungsformen
einschränkend
ausgelegt werden sollten. Zum Beispiel kann die Erfindung, auch
wenn sie für
die Implementierung in einem drahtlosen TDMA-System gut geeignet
ist, in anderen Anwendungen verwendet werden. Außerdem kann ein System gemäß der Erfindung
zusätzliche Elemente,
wie zum Beispiel mehrere Basisstationen und Mobileinheiten, mobile
Schaltzentren (MSCs) zum Verbinden einer oder mehrerer Basisstationen mit
einem öffentlichen
Telefonnetzwerk (PSTN) und Speicher oder andere Speicherelemente
zum Speichern von z.B. Systemprogrammen und Konfigurationsdaten,
Benutzerdaten und Rechnungsinformation aufweisen. Ferner wird dem
Fachmann klar sein, dass der hierin zum Zweck des Erläuterns der
Erfindung gezeigte Empfänger
auf viele verschiedene Weisen implementiert werden kann und z.B.
eine Anzahl von zusätzlichen
auf eine herkömmliche
Art konfigurierten Elementen, z.B. zusätzliche Abwärtswandler, Signalquellen,
Filter, Demodulatoren, Detektoren, Signalprozessoren usw. aufweisen
kann. Genauer können
alternative Ausführungsformen
der Erfindung verschiedene Typen von Schaltungsanordnung verwenden,
um ein Frequenzmaß aus
einem phasenmodulier ten Signal zu erzeugen und um eine geeignete
Abtastzeitsteuerung mindestens teilweise auf der Basis des Frequenzmaßes zu erzeugen.
Diese und zahlreiche andere alternativen Ausführungsformen innerhalb des
Umfangs der folgenden Ansprüche
werden dem Fachmann deshalb ersichtlich sein.