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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Tuner. Ein derartiger Tuner kann zum Beispiel zum Empfangen
von Fernsehsignalen verwendet werden und kann einen Teil einer Gerätezusatzbox
(Set Top Box), eines Fernsehempfängers
oder eines Videokassettenrecorders sein.
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Der DVB-T (digitale Videoaussendung-Terrestrisch;
Digital Video Broadcasting-Terrestrial)-Standard für DTT (Digitales Terrestrisches
Fernsehen; Digital Terrestrial Television) verwendet eine codierte
orthogonale Frequenzteilungs-Multiplexierung (Coded Orthogonal Frequency
Division Multiplexing, COFDM) als das Modulationsverfahren für die Übertragung
des digitalen Bitstroms. Eine Implementierung der Modulatoren und
Demodulatoren in diesem System wird unter Verwendung des Algorithmus mit
einer inversen schnellen Fourier-Transformation (Inverse Fast Fourier
Transform, IFFT), um das Zeitdomänensignal
aus der komplexen Frequenzdomänen-Darstellung
an dem Sender zu erzeugen, und der schnellen Fourier-Transformation
(Fast Fourier Transform, FFT), um die komplexe Konstellation der Datenpunkte
an dem Empfänger
wiederherzustellen, erreicht. Diese Operationen beziehen sich auf
getrennte COFDM "Symbole" einer Zeitlänge, die
gleich zu dem Kehrwert des einzelnen Trägerabstands ist. Deshalb entspricht
jedes Symbol einer Konstellation von Punkten in der komplexen Ebene,
d. h. jeder Träger
weist eine feste Amplitude und Phase für die Dauer eines Symbols auf.
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Ein Impulsrauschen kann über Schalttransienten
von sich in der Nähe
befindlichen Geräten,
beispielsweise Kühlschränken oder
elektrischen Werkzeugen auftreten. Ein wichtiger Vermarktungsaspekt von
DTT ist die einfache Installation, was dem Kunden erlaubt, das System
alleine aufzubauen. Dies macht es unglücklicherweise wahrscheinlich,
dass in vielen Fällen
eines Installation erreicht wird, die weit weg von einer Idealen
ist, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines schlechten Störungsschutzes
erhöht wird.
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Wenn ein Impulsrauschen überlagert
auf das empfangene Funkfrequenz-(RF)-Signal an der Antenne auftritt,
wird dieses an dem Eingang zu der FFT als die Impulsantwort der
dazwischenliegenden Tuner/Empfänger-Komponenten
erscheinen. Die Impulsenergie innerhalb eines Bands wird typischerweise eine
Breitband-Einhüllende
des sinc-Typs sein und wird das empfangene Datenspektrum überfluten,
wodurch viele Fehler in einem übertragenen
COFDM-Symbol verursacht werden. Sobald das Spektrum nach der FFT
zerstört
ist, ist eine Korrektur nicht möglich
und es liegt an der Art des COFDM-Modulationsverfahrens, dass es gegenüber Impulsrauschen empfindlich
ist. Jedoch tendiert eine Digitalisierung des COFDM-Signals an der
Zwischenfrequenz (IF) durch einen Analog/Digital-Wandler (ADC) ein
Impulsrauschen in herkömmlichen
Tuner-Konstruktionen zu unterdrücken.
Dies wird unerwünschte
Kanäle
in der analogen Domäne
vor dem ADC unterdrücken.
Somit wird der gesamte dynamische Bereich des ADC mit dem unerwünschten
Kanalsignal gefüllt werden.
Ein Impulsrauschen mit hohem Pegel wird an dem ADC abgeschnitten
(geclippt), wobei angenommen wird, dass die Empfänger-ADC-Schleife den Impulspegel nicht "einfängt" und die Verstärkung einstellt.
Dies ist unwahrscheinlich, da der Impuls per Definition ein kurzer
Puls, in der Größenordnung
einer Länge
von Nanosekunden, sein wird.
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Es besteht ein Wunsch, eine Verarbeitung
in der digitalen Domäne
zu erhöhen,
so dass die engen Spezifikationen auf den ADC verschoben werden.
In derartigen Systemen ist es wahrscheinlich, das irgendeine unerwünschte Energie
eines angrenzenden Kanals durch den ADC zusammen mit den gewünschten
Kanal digitalisiert werden wird. Wenn in diesem Fall der angrenzende
bzw. benachbarte Kanal auf einem höheren Pegel ist (zum Beispiel
in dem Vereinigten Königreich,
wo er +35 dB relativ zu dem gewünschten
DVB-T-Kanal sein kann), wird nur ein Teil des ADC-Dynamikbereichs
durch das gewünschte
Signal belegt werden, was einen Impuls mit einem viel höheren Pegel
durch die FFT erlaubt. Dies wird sich wiederum auf eine Störung mit
einem viel höheren
Pegel über
das gewünschte
Spektrum von COFDM-Trägern übersetzen,
was extrem hoher Fehlerraten für
das Symbol, in dem der Impuls aufgetreten ist, verursacht.
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1 der
beiliegenden Zeichnungen zeigt typische Bedingungen für ein Direkttunersystem,
das ein gewünschtes
Signal bei 35 dB unterhalb eines benachbarten Kanals (einem PAL
analogen TV-Kanal) empfängt.
Diese Zeichnung zeigt die drei Komponenten des Signals des ADC-Eingangs,
nämlich das
PAL-Signal des benachbarten
Kanals, das gewünschte
COFDM-Signal (dargestellt in "weiß" überlagert auf dem PAL-Signal)
und den Rauschimpuls. Wenn ein Impuls bei einer Amplitude + 50 dB
relativ zu der PAL-Spitzenamplitude
auftritt und dann auf diese gleiche Amplitude abgeschnitten wird,
wird die empfange komplexe Konstellation nach der FFT eine Bitfehlerrate
(BER) vor irgendeiner Viterbi-Decodierung in der Größenordnung
von 40% (für
eine quasi fehlerfreie Übertragung
sollte dieser Wert weniger als 1% sein) aufzeigen. Eine derartige
Erhöhung
der BER wird mit einer Empfängerverriegelung
Probleme nicht verursachen, solange wie der Impuls auftritt. Jedoch
ist es möglich,
dass eine sichtbare Verzerrung für
das Bild auftritt, und zwar in Abhängigkeit von dem Programm,
welches gerade betrachtet wird, und dem MPEG-2-Decoderschip. Wenn
ein Impulsrauschen aufeinanderfolgende Symbole zerstört, wird das
Problem noch gravierender werden.
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Die
EP
0 597 525 offenbart eine Rauschunterdrückungsanordnung für Empfänger mit
einer Frequenzmodulation (FM). Eine Rauscherfassungsanordnung gibt
Signale oberhalb eines Schwellwerts, wobei angenommen wird, dass
die Signale rauschbehaftet sind, an eine Halteschaltung, die den
unmittelbar vorausgehenden Signalpegel hält, um eine grobe Interpolation
auszuführen,
um das Rauschen zu ersetzen.
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In ähnlicher Weise offenbart die
US 5,261,004 eine Rauschunterdrückungsanordnung, bei
der der Signalpegel gehalten wird, wenn ein Rauschen erfasst wird.
Um ein Rauschen zu erfassen werden verschiedene Signale mit gefilterten
Beispielen des Signals verglichen.
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Die
EP
0 651 521 offenbart eine Rauscherfassungsanordnung zur
Verwendung in der Radiotelefonie. Das Rauschen wird mit Hilfe einer
Filterung mit zwei unterschiedlichen Zeitkonstanten erfasst.
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Die
EP
0 930 719 offenbart ein Autoradio zum Empfangen von FM-Signalen
und mit einer Anordnung zum Erfassen und Unterdrücken von Rauschimpulsen. Diese
Anordnung erzeugt einen Schwellwert durch Herausfiltern des gewünschten Signals
in einem Hochpassfilter, das einer FM-Demodulation folgt, und durch Mitteln
des verbleibenden Rauschens. Das nicht gefilterte Signal wird mit
dem Schwellwert verglichen und unterdrückt, wenn dessen Amplitude
den Schwellwert überstiegt.
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Die
US
4 736 163 offenbart eine andere Anordnung zum Erfassen
und Unterdrücken
von Rauschimpulsen. Ein laufender Mittelwert des Ausgangs eines
Signalspitzendetektors wird gebildet und ein Schwellwert wird davon
abgeleitet. Der Ausgang des Spitzendetektors wird damit verglichen,
um Rauschimpulse zu erfassen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist
ein Tuner vorgesehen, umfassend einen Eingangsabschnitt zum Umwandeln
eines Funkfrequenzsignals in ein abgetastetes Zwischensignal, das
ein gewünschtes
Signal und Rauschen umfasst, einen Schwellengenerator zum Erzeugen
einer Schwelle, einen Vergleicher zum Vergleichen der Amplitude
jedes Abtastwerts des Zwischensignals mit der Schwelle, und einen
Korrigierer, der auf den Vergleicher anspricht, um jeden der Abtastwerte, dessen
Amplitude größer als
die Schwelle ist, auf Null zu setzen, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schwellengenerator angeordnet ist, um die Schwelle als eine
erste Funktion eines Durchschnitts der Amplituden einer Vielzahl
der Abtastwerte des Zwischensignals zu erzeugen, und angeordnet
ist, um aus dem Durchschnitt jeden Abtastwert auszuschließen, dessen
Amplitude die Schwelle übersteigt.
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Der Korrigierer kann angeordnet sein,
um n-aufeinanderfolgende Abtastwerte nach jedem Abtastwert, dessen
Amplitude größer also
die Schwelle ist, auf Null zu setzen, wobei n eine positive ganze Zahl
ist. n kann eine Funktion der Impulsantwort des Eingangsabschnitts
sein.
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Der Korrigierer kann angeordnet sein,
um m-aufeinanderfolgende Abtastwerte vor jedem Abtastwert, dessen
Amplitude größer als
der Schwellwert ist, auf Null zu setzen, wobei m eine positive ganze
Zahl ist. m kann eine Funktion der Impulsantwort des Eingabeabschnitts
sein.
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Der Durchschnitt kann ein sich bewegender Durchschnitt
sein.
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Die Schwelle kann größer als
das Produkt des Durchschnittswerts und des Spitze-zu-Durchschnitts-Verhältnisses
des Zwischensignals sein.
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Die Schwelle kann größer als
dreimal der Durchschnitt sein. Die Schwelle kann im wesentlichen
gleich zu 5,3 mal der Durchschnitt sein.
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Die Abtastwerte können eine Abtastrate von 9,143
MHZ aufweisen. n kann größer als
1 und kleiner als 5 sein. Der sich bewegende Durchschnitt kann über einem
Fenster von im wesentlichen 1000 aufeinanderfolgenden Abtastwerten
sein.
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Der Eingabeabschnitt kann einen Null-Zwischenfrequenzwandler
umfassen.
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Der Eingabeabschnitt kann die Abtastwerte an
Gleichphasen- und Quadratur-Ausgänge
liefern.
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Der Eingabeabschnitt kann einen Analog/Digital-Wandler
zum Bilden der Abtastwerte als digitale Abtastwerte umfassen.
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Der Tuner kann zum Empfangen von
COFDM-Signalen bereitgestellt werden.
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Der Tuner kann einen Schnelle-Fourier-Transformierer
zum Verarbeiten von Abtastwerten von dem Korrigierer umfassen.
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Der Tuner kann zum Empfangen von
Fernsehsignalen bereitgestellt werden.
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Gemäß weiterer Aspekte der Erfindung
ist eine Set-Top-Box (Gerätezusatzbox),
ein Fernsehempfänger
und ein Fernsehsignalrecorder vorgesehen, die jeweils einen Tuner
in Übereinstimmung
mit dem ersten Aspekt der Erfindung umfassen.
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Es ist somit möglich, einen Tuner bereitzustellen,
dessen Betriebsverhalten unter Impulsrauschbedingungen stark verbessert
ist. Für
den Fall von digitalen Fernsehsignalen kann das Bitfehlerraten-Betriebsverhalten
stark verbessert werden, so dass eine Bildstörung verringert wird. Diese
Techniken sind besonders nützlich
für Modulationsverfahren,
die einen Algorithmus mit einer Schnellen- Fourier-Transformation in dem Tuner
verwenden, zum Beispiel um den komplexen Wert jedes Trägers in
einem COFDM-Verfahren zu extrahieren.
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Die Erfindung wird weiter beispielhaft
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Wellenformdiagramm, das ein durch Impulse zerstörtes digitales Fernsehsignal
und ein PAL-analoges Signal eines benachbarten Kanals mit hohem
Pegel darstellt;
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2 ein
Blockschaltbild und ein Funktionsdiagramm, das einen Tuner darstellt,
der eine Ausführungsform
der Erfindung bildet; und
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3 diagrammartig
den Effekt einer Impulsrauschstörung
und der Verbesserung im Betriebsverhalten, die mit dem Tuner der 2 erzielt werden kann.
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Der COFDM-Fernsehtuner, der in 2 gezeigt ist, ist mit einem
Antenneneingang 1 verbunden und umfasst einen Eingangsverstärker 2 mit
einer automatischen Verstärkungssteuerung
(Automatic Gain Control, AGC), dessen Ausgang mit Mischern 3 und 4 verbunden
ist. Die Mischer 3 und 4 bilden einen Teil eines
Null-Zwischenfrequenz-(ZIF)-Frequenzwandlers zum Umwandeln der Eingangssignale
direkt in Basisbandsignale.
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Ein lokaler Oszillator 5 liefert
Signale eines lokalen Oszillators an die Mischer 3 und 4,
die zueinander in einer Phasenquadratur sind, so dass der Mischer 3 ein
Gleichphasensignal 1 erzeugt und der Mischer 4 ein
Quadraturphasensignal Q erzeugt. Die Ausgänge der Mischer 3 und 4 werden über Pufferverstärker 6 bzw. 7 am
Tiefpassfilter 8 bzw. 9 geführt, die eine Energie außerhalb
der Null-Zwischenfrequenzbandbreite
dämpfen
oder beseitigen. Die Ausgänge
der Filter 8 und 9 werden über weitere Pufferverstärker 10 bzw. 11 an
einen Analog/Digital-Wandler (ADC) 12 geliefert.
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Die Teile 2 bis 11 des
Tuners stellen einen analogen Abschnitt dar, dessen Quadraturausgangssignale
von dem ADC 12 in die digitale Domäne umgewandelt werden. Die übrigen Teile
des Tuners arbeiten in der digitalen Domäne und werden als Funktionsblöcke in 2 dargestellt, obwohl sie
normalerweise von einer speziell vorgesehenen digitalen Hardware
oder möglicherweise
von einem programmierbaren Datenprozessor unter einer Softwaresteuerung
umgesetzt werden würden.
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Die Ausgänge des ADC 12 werden über digitale
Tiefpassfilter 13 und 14 an eine Schaltung 15 für eine automatische
Frequenzsteuerung (Automatic Frequency Control, AFC) geführt, die
die Signale exakt um 0 Hz herum zentriert.
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Die digitalisierten Abtastwerte der
I- und Q-Signale , die von dem ADC 12 gebildet werden, von
den Filtern 13 und 14 gefiltert werden, und von der
Schaltung 15 auf 0 Hz zentriert werden, werden an die Eingänge eines
Schwellengenerators 16, eines Vergleichers 17 und
eines Korrigierers 18 geführt. In einem typischen Beispiel
des in 2 gezeigten Tuners
tastet die ADC 12 die ankommenden Signale bei einer Abtastrate
von 9,143 MHz ab. Der Schwellengenerator 16 bildet einen
sich bewegenden Durchschnitt einer Anzahl von aufeinanderfolgenden
Abtastwerten von jedem der I- und Q-Signale. In dem spezifischen
Beispiel, welches voranstehend erwähnt wurde, deckt das sich bewegende Fenster 1000 aufeinanderfolgende
Abtastwerte ab.
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Um eine Schwelle zu erzeugen, die
Impulsrauschsignale unterscheiden kann, verwendet der Schwellengenerator 16 ein
bekanntes Spitze-zu-Mittel-Verhältnis
von COFDM-Signalen, welches ungefähr 9,5 Dezibel (dB) (ein Verhältnis von
ungefähr
3 : 1) ist. Um eine falsche Triggerung zu vermeiden, stellt der
Schwellengenerator 16 die Schwelle höher als dies ein, zum Beispiel
um 3 dB oder sogar soviel wie 5 dB, so dass die Schwelle, die an
den Vergleicher 17 von dem Generator 16 geliefert
wird, zum Beispiel im wesentlichen gleich zu 5,3 mal dem sich bewegenden
Fensterdurchschnitt der Amplituden der Abtastwerte ist.
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Der Vergleicher 17 vergleicht
jeden der I- und Q-Abtastwerte mit der Schwelle und signalisiert
dem Korrigierer 18 immer dann, wenn die Amplitude eines Abtastwerts
den gegenwärtigen
Wert der Schwelle übersteigt.
Im Ansprechen auf eine derartige Signalisierung stellt der Korrigierer 18 den
Wert des Abtastwerts auf Null ein. Der Korrigierer 18 stellt
auch die Werte von ein oder mehreren Abtastwerten, deren Werte unterhalb
des gegenwärigen
Wertes der Schwelle sind und die unmittelbar bevor und/oder nach
dem Abtastwert oder den Abtastwerten, der/die Werte aufweistlaufweisen,
die die Schwelle übersteigen,
auf 0 ein. Insbesondere wird der Rauschimpuls von dem Impulsgenerator
des Abschnitts des Tuners, der stromabwärts von dem Korrigierer 18 angeordnet ist,
verteilt und die Anzahl von aufeinanderfolgenden Abtastwerten, die
auf Null gesetzt oder unterdrückt werden,
wird in Übereinstimmung
mit der Impulsantwort bestimmt, um so soviel Impulsrauschenergie
wie möglich
aus dem Signal zu entfernen, das an jeden der Ausgänge des
Korrigierer 18 geliefert wird. Für das spezifische Beispiel,
welches voranstehend erwähnt
wurde, wurde festgestellt, das die Anzahl von aufeinanderfolgenden
Abtastwerten, die auf 0 gesetzt oder unterdrückt werden könnten, typischerweise
0 oder 1 Abtastwert vor und von 3 bis 5 Abtastwerten nach dem Abtastwert
oder aufeinanderfolgenden Abtastwerten, deren Werte die Schwelle übersteigen,
ist. Jedoch kann die Impulsantwort des stromabwärtsliegenden Abschnitts für irgendeine bestimmte
Anordnung berechnet, gemessen oder simuliert werden und dies kann
verwendet werden, um die Anzahl von aufeinanderfolgenden Abtastwerten einzurichten,
die unvermeidbar durch ein Impulsrauschen zerstört werden und die deshalb unterdrückt werden
sollten.
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Wenn der Tunereingabeabschnitt eine übermäßig lange
Impulsantwort aufweist, zum Beispiel entsprechend zu 10 oder
mehr Abtastwerten, ist es möglich,
dass die Effekte eines derartigen Impulsrauschens nicht zufriedenstellend
korrigiert werden können,
weil eine Unterdrückung
(Ausblendung) von 10 oder einer größeren Anzahl von aufeinanderfolgenden
Abtastwerten eine nicht akzeptabel große Anzahl von Fehlern einführen kann.
In einem derartigen Fall sollte die Impulsantwort des Tuners, insbesondere
der analogen Tiefpassfilter 8 und 9 und der digitalen
Tiefpassfilter 13 und 14, verbessert werden, um ein
zufriedenstellendes Betriebsverhalten zu erzielen.
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Der Korrigierer 18 liefert
ein Signal an den Schwellengenerator 16, welches anzeigt,
welche Abtastwerte ausgeblendet worden sind. Der Schwellengenerator 16 verhindert
dann, dass derartige Abtastwerte in dem Prozess zum Erzeugen des
Durchschnitts verwendet werden, auf den die Schwelle gestützt ist.
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Die I- und Q-Ausgänge des Korrigierer 18 werden
an die Eingänge
einer Schnellen-Fourier-Transformation 19 geliefert,
die das zeitdomänendigitalisierten
abgetastete Signal in die komplexe Frequenzdomäne umwandelt. Der Ausgang der Transformation 19 wird
zurück
an einen Block 20 für eine weitere
Verarbeitung geführt,
beispielsweise eine Demodulation und Decodierung, um Bildsignale, die
für eine
Anzeige von einem Fernsehempfänger oder
für eine
Aufzeichnung von einem Videokassettenrecorder geeignet sind, zu
liefern.
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3 zeigt
die Zeitdomänen-Eingangssignale
zu der Transformation 19 und die sich ergebende Frequenzdomänen-Konstellation
an dem Ausgang der Transformation 19 für ein "reines" Signal ohne eine Störung, für ein nicht korrigiertes Signal, welches
eine Impulsstörung
erleidet, und für
ein korrigiertes Signal in Übereinstimmung
mit der Rauschkorrektur oder Verringerung, die voranstehend beschrieben
und in 2 dargestellt
wurde. Die entsprechenden Bitfehlerraten sind ebenfalls angegeben.
Es wird angenommen, dass das reine Signal ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR)
von 35 dB aufweist. Ein derartiges Signal erzeugt eine 0 BER.
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Das gestörte Signal wird von einem Impuls mit
einer Amplitude von 50 dB und einer Dauer von 5 Nanosekunden gestört. Die
sich ergebende Konstellation an dem Ausgang der Transformation 19 wird sehr
gravierend gestört
und führt
zu einer BER von 45%.
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Die Impulskorrekturtechnik, die voranstehend
beschrieben wurde, stellt eine Konstellation an dem Ausgang der
Transformation 19 bereit, die sehr viel enger der tatsächlichen
Konstellation des einen Signal ähnelt.
In diesem Fall ist die BER 2,5%, was eine wesentliche Verbesserung
darstellt und erlaubt, dass akzeptable Fernsehbilder mit relativ
unscheinbaren Störungsartefakten
angezeigt werden, obwohl sie nicht einem quasi fehlerfreien Empfang
entsprechen.
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Die Verwendung dieser Technik ist
sehr vorteilhaft, wenn mehr als ein COFDM-Symbol betroffen ist.
Ohne eine Korrektur ist es wahrscheinlich, dass das auf dem Fernsehbildschirm
angezeigte Bild schnell unmöglich
zu betrachten wird oder vollständig
verloren geht. Obwohl ein quasi fehlerfreier Empfang nicht möglich sein
kann, sollte mit einer Korrektur keine Unterbrechung in der Betrachtung
vorhanden sein. Anstelle davon kann eine gewisse merkbare, aber
hinsichtlich des Bildes tolerierbare Störung, vorhanden sein.
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Obwohl diese Technik mit Einzelheiten
in Bezug auf ein COFDM-Modulationsverfahren für digitale Fernsehsignale im
Hinblick auf eine Null-Zwischenfrequenz-Umwandlungstechnik beschrieben worden
ist, kann sie auf andere Typen von System angewendet werden, bei
denen eine Impulsrauschstörung
problematisch ist. Die Technik ist besonders nützlich für Tuner, bei denen große Mengen
von Signalverarbeitungen in der digitalen Domäne ausgeführt werden und bei denen eine
relativ geringe Frequenzdomänenfilterung
vor der Analog/Digital-Umwandlung vorhanden ist. Insbesondere ermöglicht diese
Technik, dass Tuner mit einem adäquaten
Betriebsverhalten versehen werden und reduziert somit die Anforderungen
für eine
Filterung in der analogen Domäne.
Dies wiederum erleichtert die Konstruktion von analogen Filtern "auf-dem-Chip ("on-chip")". Die Technik ist besonders nützlich für jedes
Demodulationsverfahren, das die FFT verwendet, und mögliche andere
Anwendungen umfassen die digitale Audioaussendung (Digital Audio
Broadcasting, DAC) und jedes System, das eine Form von COFDM-Modulation verwendet.