DE60132415T2

DE60132415T2 - Frequenzsynchronisierer, der sowohl analoge als auch digitale Regelsignale verwendendet

Info

Publication number: DE60132415T2
Application number: DE60132415T
Authority: DE
Inventors: Risto Paatelma; Juha Kuronen; Heikki Berg
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2021-10-27
Also published as: EP1202512A2; US20020106992A1; US7302235B2; EP1202512A3; EP1202512B1; DE60132415D1; GB0026361D0; GB2368500A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Synchronisierungseinrichtung und insbesondere aber nicht ausschließlich auf eine Synchronisierungseinrichtung für eine Verwendung in einem drahtlosen Empfänger in einem Telekommunikationssystem.
Drahtlose zellulare Telekommunikationsnetze sind bekannt. Das Gebiet, dass von dem Netz abgedeckt wird, ist in eine Vielzahl von Zellen unterteilt. Jede Zelle wird durch eine Basisstation bedient, die angeordnet ist, um Signale zu empfangen und um Signale an Mobilstationen zu übertragen, die sich in der Zelle befinden, die mit der jeweiligen Basisstation verbunden ist.
In Mobilstationen ist der Empfänger ausgelegt, um eine Synchronisation in Bezug auf die empfangenen Signale auszuführen. Diese Synchronisation kann in zwei Stufen unterteilt werden. Anfänglich wird das Signal während der Erfassungsphase erfasst, und die anfängliche Synchronisation wird ausgeführt. In der nächsten Stufe wird das Signal verfolgt. Insbesondere werden Änderungen im Funkkanal und dem Empfänger verfolgt, so dass die Synchronisation aufrecht gehalten wird.
Das Folgende ist ein Beispiel einer Frequenzsynchronisation. Für eine Zeitsteuerung kann eine ähnliche Anordnung verwendet werden.
In den bekannten Empfängern erfolgt diese Synchronisation beispielsweise für die Frequenz und die Zeitsteuerung. Es wird Bezug genommen auf 2, die ein Blockdiagramm eines bekannten Empfängers zeigt. Die Signale werden anfänglich von einer Antenne 2 empfangen. Das Ausgangssignal der Antenne 2 wird in ein erstes Bandpassfilter 4 eingegeben, das die unerwünschte Signale ausfiltert. Typischerweise wird das erste Bandpassfilter 4 den Durchgang eines relativ breiten Bereichs von Frequenzen gestatten. Das Ausgangssignal des ersten Bandpassfilters 4 wird an einen Mischer 6 ausgegeben. Dieser Mischer 6 führt eine Abwärtswandlung der empfangenen Funkfrequenzsignale auf eine Basisbandfrequenz aus. Dies wird durch das Mischen des empfangenen Signals mit einer passenden Mischfrequenz erreicht. Das wird später detaillierter beschrieben.
Das Ausgangssignal des Mischers 6 wird in ein zweites Bandpassfilter 8 eingegeben, das viel schmaler als das erste Bandpassfilter ist. Dieses zweite Filter 8 ist ausgelegt, um unerwünschte Signale, die außerhalb der Bandbreite des zweiten Filter zu liegen kommen, zu entfernen. Das Ausgangssignal des zweiten Filters 8 wird in einen Analog-Digital-Wandler 10 gegeben, der die Signale von einer analogen in eine digitale Form umwandelt. Das Ausgangssignal des Wandlers wird an einen digitalen Prozessor 12 gegeben. Der digitale Prozessor 12 hat einen Detektor 14, der die Frequenz schätzt und einen Korrekturfaktor erzeugt.
Der Korrekturfaktor wird an ein drittes Filter 16 ausgegeben, das den Korrekturwert filtert. Es sollte erkannt werden, dass der Korrekturwert ein digitaler Wert ist. Der gefilterte, korrigierte Wert wird vom digitalen Prozessor 12 an einen Digital-Analog-Wandler 18 ausgegeben. Der Wandler 18 wandelt den digitalen Korrekturwert in einen analogen Wert um. Dieser analoge Wert wird verwendet, um den Mischer 6 und insbesondere die Frequenz, mit der das Ausgangssignal des ersten Bandpassfilters 4 gemischt wird, zu steuern. Dies steuert die Frequenz der Signale, die vom Mischer 6 ausgegeben werden.
Wie man sehen kann, umfassen die Synchronisierungselemente digitale Elemente und analoge Elemente und werden als solche manchmal als hybride Synchronisierungseinrichtungen bezeichnet. Dies kann zu Problemen führen. Insbesondere wird der Korrekturwert im digitalen Bereich bestimmt, aber die Korrektur wird im analogen Bereich vorgenommen. Die Umwandlung des Korrekturwerts vom digitalen Wert in den analogen Wert weist damit verbundene Probleme auf. Insbesondere ist der Digital-Analog-Wandler nicht linear, so dass der Winkelkoeffizient nicht konstant ist. Zusätzlich wird die analoge Korrektur durch Temperaturänderungen, Altern und Betriebszustände Ungenauigkeiten aufweisen. Die Korrektur wird beispielsweise in Abhängigkeit von den Frequenzen variieren. Somit wird die Korrektur, die durch die analogen Elemente ausgeführt wird, nicht sehr genau sein. Dies kann bedeuten, dass die Varianz, die durch die Korrektur verursacht wird, größer als die Varianz bei der Parameterschätzung ist, die im digitalen Prozessor stattfindet.
Ein weiteres Problem wird durch den Faktor verursacht, dass der digitale Wert in einen analogen Wert umgewandelt wird. Die Anzahl der Bits des Korrekturwerts liefert eine Begrenzung der Genauigkeit der Korrektur. Wenn der Digital-Analog-Wandler fähig ist, mit einem relativ langen Wort umzugehen, wird er relativ teuer sein. Wenn andererseits der Digital-Analog-Wandler nur mit relativ kurzen Worten umgehen kann, so kann die Korrektur nur mit begrenzten Schrittgrößen ausgeführt werden. Dieses Problem wird als Quantisierungsrauschen bezeichnet.
Es wird Bezug genommen auf 3, die ein Schaubild des Steuerwerts als eine Funktion des Steuerschritts in einem nicht linearen System zeigt. Wenn diese in 3 gezeigte Funktion wohl bekannt ist, und wenn der minimale Schritt klein genug ist, ist es möglich, das Steuerwort zu berechnen, so dass eine präzise Steuerung erzielt werden kann. In der Praxis ist dies schwierig, da diese Funktion von der Temperatur, der Alterung und Betriebsbedingungen abhängt. Dies bedeutet, dass sogar dann, wenn der Empfänger in der Fabrik abgestimmt wird, um eine optimale Leistung zu erzielen, diese optimale Leistung nicht erzielt wird, wenn der Empfänger tatsächlich verwendet wird. Zusätzlich ist die minimale Schrittgröße, wie das vorher erwähnt wurde, vorzugsweise relativ groß, um die Kosten des Digital-Analog-Wandlers zu minimieren.
Es ist vorgeschlagen worden, zwei Schleifen zu liefern, um die Steuerung vorzusehen. Eine Schleife umfasst eine digitale automatische Frequenzsteuerung, die eine feine Korrektur liefert. Die andere Schleife liefert eine grobe Korrektur. Die zwei Schleifen werden unabhängig gesteuert. Die erste Schleife ist schneller als die zweite Schleife. Diese Anordnung weist jedoch auch Probleme auf. Die erste Schleife kann nicht schnell genug reagieren, und somit ergibt sich ein Übergang, wenn die zweite Schleife gesteuert wird. Wenn beispielsweise die grobe Steuerschleife einen 500 Hz Schritt aufweist, und wenn die feine Steuerschleife eine 100 Hz Steuerschleife aufweist, so entstehen Probleme. Die erste Schleife kann keinen Messwert liefern, wenn der Fehler größer als 100 Hz ist. Zusätzlich bedeutet das Problem der unbekannten Schrittgröße, dass die digitale Korrektur nicht korrekt arbeiten kann, wenn sich das analoge Steuerwort ändert. Das Problem besteht darin, dass während die Frequenz in der auf die Entscheidung gerichtete Schleife, die zuverlässige Entscheidungen erfordert, geschätzt wird, nur ziemlich kleine Quantisierungsschritte erlaubt sind. Ansonsten würde der Frequenzfehler so groß sein, dass die Frequenzschätzung speziell bei schlechten Bedingungen fehlschlagen könnte, und es könnte sein, dass die Synchronisierungseinrichtung unstabil wird.
Ein zusätzliches Problem beim Erfassen besteht darin, dass dieses schnell erfolgen sollte. Dies bedeutet, dass von Zeit zu Zeit große Korrekturen vorgenommen werden müssen. Dies verursacht zusätzliche Probleme zu denen, die schon diskutiert wurden.
In der Summe verursacht die große, unbekannte, zeitlich variable Schrittgröße bei der analogen Korrektur eine Anzahl von Schwierigkeiten, wie das oben diskutiert wurde.
Die EP 689324 offenbart eine Demodulationsvorrichtung. Ein QPSK-Modulationssignal wird mit einer Frequenzumwandlung in ein ZF-Signal durch eine Kanalauswahlschaltung verarbeitet. Es wird dann durch einen Quadraturdemodulator in eine Basisbandsignal umgewandelt. Eine Frequenzverfolgungsschaltung detektiert, ob eine Betriebsfrequenz eines digitalen spannungsgesteuerten Oszillators in der Trägerwiedergewinnungsschaltung über einen Bereich hinaus geht. Durch das Verfolgen einer Oszillationsfrequenz des DVCO im Basisbandfrequenzwandler, so dass er nicht über den Referenzwert hinaus geht, wird die Frequenzabweichung des Spektrums der Signale, die in den DTF eingegeben werden, so gesteuert, dass sie nicht über den Referenzwert hinaus geht.
Ein Ziel der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Problem oder mehrere der Probleme bei den bekannten Anordnungen anzugehen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zielen darauf hin, eine Anordnung beziehungsweise ein Verfahren zu liefern, das eine gute Synchronisation sogar dann ergibt, wenn die Schrittgröße nicht bekannt, variabel und/oder relativ groß ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Synchronisierungseinrichtung für die Verwendung in einem Empfänger, der Signale empfängt, bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass diese Synchronisierungseinrichtung umfasst: einen Digital-Analog-Wandler; Mittel für das Bereitstellen eines digitalen Steuersignals, wobei dieses Steuersignal eines aus einer Vielzahl verschiedener Niveaus definiert; Mittel für das Steuern des Niveaus, das durch einander Folgende des digitalen Steuersignals geliefert wird, so dass aufeinander Folgende des digitalen Steuersignals verschiedene Werte definieren; und Mittel zum Abschätzen der Differenz zwischen den Niveaus aufeinander Folgender des digitalen Steuersignals, wobei die Differenzen verwendet werden, um eine Schrittgröße abzuschätzen, die durch den Digital-Analog-Wandler bereitgestellt wird, und das digitale Steuersignal vom Digital-Analog-Wandler in ein analoges Steuersignal umgewandelt wird.
Einen zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann man aus Anspruch 16 sehen.
Somit kann in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die tatsächliche analoge Schrittgröße verfolgt werden, und der verbleibende Synchronisationsfehler kann digital korrigiert werden.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und wie diese zur Wirkung gebracht werden kann, wird nun beispielhaft auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen:
1 ist eine schematische Ansicht eines drahtlosen zellularen Netzes, in dem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
2 zeigt ein Blockdiagramm eines bekannten Empfängers;
3 zeigt ein Schaubild des Steuerwerts als eine Funktion des Steuerworts;
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Prozessors, der die vorliegenden Erfindung verkörpert; und
5 zeigt ein Blockdiagramm, das die Prinzipien der Schrittschätzvorrichtung der 4 zeigt.
Es wird nun Bezug genommen auf 1, die eine schematische Ansicht eines drahtlosen zellularen Netzes zeigt, in welchem Ausführungsformen verwendet werden können. Das Gebiet, das durch das Netz 100 abgedeckt wird, ist in eine Vielzahl von Zellen 102 unterteilt. Jede Zelle 102 wird durch eine Basisstation 104 bedient, die ausgelegt ist, um Signale an Mobilstationen 106 in der Zelle, die mit der jeweiligen Basisstation 104 verbunden sind, zu senden und von diesen zu empfangen.
In den beschriebenen Ausführungsformen verwenden die Mobilstationen und die Basisstationen eine Zeitmultiplextechnik und eine Frequenzmultiplextechnik. Dies bedeutet, dass mehrere verschiedene Frequenzen in einem Netz verwendet werden, und dass einer Mobilstation eine dieser Frequenzen zugewiesen wird, um mit einer Basisstation zu kommunizieren. Ebenso wird der Basisstation eine Frequenz zugewiesen, um mit der Mobilstation zu kommunizieren. Die zugewiesenen Frequenzen können gleich oder verschieden sein. Jede Frequenz wird in eine Vielzahl von Zeitschlitzen unterteilt, und einer Mobilstation wird ein gegebener Schlitz für eine Kommunikation zugewiesen. Ebenso wird der Basisstation ein gegebener Schlitz zugewiesen, um mit einer gegebenen Mobilstation zu kommunizieren. Das Netz kann gemäß dem GSM-Standard (global system for mobile communications) oder irgend einem anderen passenden Standard ausgebildet sein.
Der Spurverfolgungsmodus der Ausführungsformen der Erfindung wird nun beschrieben. Da sich die Frequenz, mit der die Basisstation die Signale überträgt, durch eine Frequenzverschiebung, Schwankungen und dergleichen ändert, muss die Mobilstation fähig sein, diese Änderungen zu verfolgen. Zusätzlich kann der Pfad, der von den Signalen zwischen der Basisstation und der Mobilstation genommen wird, die Frequenz des Signals ändern, wenn es sich entlang des Pfades bewegt. Dieser Effekt ist als Doppler-Verschiebung bekannt. Schließlich weist die Mobilstation ihre eigenen Frequenzungenauigkeiten auf. Diese Änderungen müssen auch verfolgt werden.
Es erfolgt nun ein Bezug auf die 4, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Elemente, die gleich sind wie in 2, sind mit denselben Bezugszahlen markiert. 4 zeigt einen Empfänger in einer Mobilstation.
Signale, die von der Basisstation zur Mobilstation übertragen werden, werden von der Antenne 2 empfangen. Die empfangenen Signale werden an ein erstes Bandpassfilter 4 ausgegeben, das eine relativ breite Bandbreite aufweist. Alle interessierenden Signale fallen in die Bandbreite des ersten Filters 4. Das gefilterte Ausgangssignal wird an einen Mischer 6 geliefert. Das gefilterte Ausgangssignal wird mit einer Frequenz gemischt, die bewirkt, dass sich das Ausgangssignal bei oder nahe der Basisbandfrequenz befindet. Die Frequenz, mit der das Ausgangssignal des ersten Bandpassfilters 4 gemischt wird, wird durch das Ausgangssignal eines Digital-Analog-Wandlers 18 gesteuert, wie das später detaillierter beschrieben wird.
Das Ausgangssignal des Mischers 6 wird in ein zweites Bandpassfilter 8 eingegeben. Das zweite Bandpassfilter weist eine schmälere Bandbreite als das erste Bandpassfilter auf und entfernt unerwünschte Signale, die alle unerwünschten Signale einschließen, die durch den Mischer 6 eingeführt wurden. Das Ausgangssignal des zweiten Filters 8 wird in einen digitalen Signalprozessor DSP 20 eingegeben. Der digitale Signalprozessor arbeitet auf eine andere Weise als der bekannte Empfänger.
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefert eine analoge Steuerung, um eine grobe Korrektur zu liefern. Der Mischer 6 erreicht dies unter der Steuerung des Ausgangssignals des Digital-Analog-Wandlers 18. Die digitale Steuerung für eine feine Korrektur, den Frequenzfehler und die Abschätzung der Schrittgröße wird durch den digitalen Signalprozessor 20 geliefert. Der digitale Signalprozessor 20 liefert in Verbindung mit dem Digital-Analog-Wandler (der das Steuersignal für die analoge Steuerung liefert, das ist der Mischer 6) eine Steuerfunktion.
Beispielsweise stellt, wenn der Empfänger zuerst hergestellt wird, jeder Schritt eine Änderung von 20 Hz dar. Durch Änderungen bei der Alterung, der Temperatur oder den Betriebszuständen kann jedoch jeder Schritt eine Änderung von mehr oder weniger als 50 Hz darstellen. Ausführungsformen der Erfindung erlauben den Effekt der Steuerworte zu verfolgen, sogar dann wenn sich die Frequenz langsam ändert. Das zweite Bandpassfilter kann eine Toleranz von +/– 100 Hz aufweisen.
Der digitale Signalprozessor umfasst eine Einheit 24 für die digitale, automatische Frequenzsteuerung DAFC. Die DAFC 24 ist ausgelegt, um eine genauere Korrektur auszuführen, so dass ein Fehler von null oder möglichst nahe an null erzielt wird. Die digitale Korrektur wird durch eine Abschätzung der Schrittgröße gesteuert. So kann, während das Steuerwort geändert wird, die digitale Steuerung die Wirkung der analogen Steuerung, für die die Schrittgröße abgeschätzt wird und somit bekannt ist, kompensieren. Dies ist sogar dann der Fall, wenn die Schrittgröße sich zeitlich langsam ändert. Die DAFC erzeugt auch das Wort, das verwendet wird, um den Digital-Analog-Wandler zu steuern.
Es wird nun ein Beispiel beschrieben, wie die Abschätzung des Schritts verwendet wird. Beispielsweise beträgt die Schrittgröße 50 Hz. Die analoge Steuerung wird auf einen Wert festgelegt, und um einen Fehler von Null zu erhalten, wird die digitale Steuerung in diesem Schlitz auf 20 Hz gesetzt. Für den nächsten Schlitz wird die analoge Steuerung um einen Schritt geändert. Es ist somit bekannt, dass sich die Frequenz um 50 Hz ändern wird. Somit muss die digitale Korrektur auf –30 Hz geändert werden, um einen Fehler von null zu erzielen. Der analoge Teil wird somit für einen Schritt gesteuert, und wegen der Abschätzung der Schrittgröße ist es bekannt, wie stark sich die Frequenz ändern wird.
Die Einheit 24 für die digitale, automatische Frequenzsteuerung DAFC weist einen Ausgang auf, der mit einem Detektor 26 verbunden ist. Der Ausgang des Detektors 26 ist mit einer Schrittgrößenabschätzvorrichtung 28 verbunden. Der Ausgang der Schrittgrößenabschätzvorrichtung 28 ist mit der DAFC 24 verbunden.
Die Schrittgrößenabschätzvorrichtung 28 ist ausgebildet, um die tatsächliche Schrittgröße, die durch den Digital-Analog-Wandler geliefert wird, abzuschätzen. Dies erlaubt es, dass die Effekte der Temperatur, der Alterung etc. kompensiert werden. Es wird Bezug genommen auf 5, die die verwendeten Prinzipien zeigt. Das Steuerwort, das vom digitalen Signalprozessor geliefert wird, wird in jedem Zeitschlitz geändert, auch wenn das nicht notwendig ist. Die gewählten Steuerworte können somit den besten Wert und den zweitbesten Wert darstellen. Wenn der beste Wert für einen gegebenen Zeitschlitz derselbe wie der beste Wert des vorherigen Zeitschlitzes ist, so wird der nächst beste Wert verwendet. Wenn nicht, so wird der beste Wert verwendet. Auf diese Weise kann die Wirkung des Schrittes gemessen werden, und wenn sie sich ändert, so kann das berücksichtigt werden.
Es wird nun zuerst Bezug genommen auf 5a. Das erste Niveau A stellt den besten Wert der Frequenz dar, der als das Steuerwort gewählt wird, um den Mischer 6 zu steuern. Das zweite Niveau B stellt den zweitbesten Frequenzwert dar, der im nächsten Zeitschlitz verwendet wird, um den Mischer 6 zu steuern. Das Niveau C stellt die tatsächliche Frequenz dar. Unter Verwendung von zwei Zeitschlitzen ist es für die Schrittgrößenschätzvorrichtung möglich, die Größe des Schritts zwischen den Niveaus A und B abzuschätzen. Im ersten Zeitschlitz schätzt die Schrittgrößenschätzvorrichtung 28 die Schrittgröße zwischen den Niveau A und dem Niveau C ab. Im nächsten Zeitschlitz schätzt die Schrittgrößenschätzvorrichtung die Schrittgröße zwischen dem Niveau B und dem Niveau C ab. Diese zweite Schätzungen werden summiert, um eine Abschätzung der Schrittgröße zu ergeben. Diese Information wird dann von der DAFC 24 verwendet, wenn sie die feine Fehlerkorrektur für den nächsten Zeitschlitz bestimmt.
Es wird nun Bezug genommen auf 5b, die die Ergebnisse zeigt, bei denen die Schrittgröße kleiner geworden ist. Im Vergleich zur Situation, die in 5a dargestellt ist, hat die Differenz zwischen dem Niveau A und dem Niveau C abgenommen, und auch die Differenz zwischen den Niveau B und dem Niveau C hat abgenommen. Wenn die Schrittgröße dieselbe geblieben ist, würde erwartet, dass sich die tatsächliche Frequenz relativ zum Niveau C auf dem Niveau D befindet. Ebenso wird erwartet, dass sich, wenn die Schrittgröße dieselbe geblieben ist, die tatsächliche Frequenz relativ zum Niveau B auf dem Niveau E befindet. Wie man aus der 5b sehen kann, ist das Niveau E "höher" als das Niveau D. Unter Verwendung dieser Information kann durch die Schrittgrößenschätzvorrichtung bestimmt werden, dass die Schrittgröße kleiner geworden ist.
Es wird nun Bezug auf 5c genommen, die die Ergebnisse zeigt, wenn die Schrittgröße größer geworden ist. Im Vergleich zur in 5a dargestellten Situation hat die Differenz zwischen dem Niveau A und dem Niveau C zugenommen, und die Differenz zwischen den Niveau B und C hat auch zugenommen. Wenn die Schrittgröße dieselbe geblieben ist, kann erwartet werden, dass sich die tatsächliche Frequenz relativ zum Niveau A auf dem Niveau F befindet. Ebenso kann erwartet werden, dass wenn die Schrittgröße dieselbe geblieben ist, sich die tatsächliche Frequenz relativ zum Niveau B auf dem Niveau G befindet. Wie man aus der 5c sehen kann, ist das Niveau F "höher" als das Niveau G. Unter Verwendung dieser Information kann durch die Schrittgrößenschätzvorrichtung bestimmt werden, dass die Schrittgröße größer geworden ist.
Es wird angenommen, dass sich die tatsächliche Frequenz in den Beispielen der 5b und 5c nicht geändert hat.
Es wird nun Bezug auf 5d genommen, die die Ergebnisse zeigt, wenn die Schrittgröße dieselbe geblieben ist, aber wenn sich die tatsächliche Frequenz geändert hat. Im Vergleich zur in 5a dargestellten Situation hat die Differenz zwischen dem Niveau A und dem Niveau H, die die tatsächliche Frequenz darstellt, zugenommen, und die Differenz zwischen dem Niveau B und dem Niveau H hat abgenommen. Dies bedeutet, dass die tatsächliche Frequenz eines vorherigen Schlitzes, Niveau C, entweder höher oder tiefer als die tatsächliche Frequenz im aktuellen Schlitz ist. Im Fall einer abnehmenden Frequenz würde dies zu zwei "positiven" Fehlern führen, und im Fall einer zunehmenden Frequenz würde dies zu zwei "negativen Fehlern" führen. Unter Verwendung dieser Information kann durch die Schrittgrößenschätzvorrichtung bestimmt werden, dass die Schrittgröße dieselbe geblieben ist, und dass sich die tatsächliche Frequenz geändert hat.
Der Ausgang des Detektors 26 ist mit dem Eingang eines Filters 30 verbunden. Der Detektor 26 misst den Frequenzfehler. Der Filter 30 filtert das digitale Wort, das vom Detektor 26 ausgegeben wird. Das gefilterte digitale Wort wird vom digitalen Signalprozessor 20 ausgegeben und in den Digital-Analog-Wandler 18 eingegeben, der das digitale Steuerwort in ein analoges Steuersignal umwandelt, das verwendet wird, um die Frequenz zu steuern, mit der das Eingangssignal gemessen wird. Wie oben erwähnt wurde, wird in jedem aufeinander folgenden Schritt die Frequenz, die mit dem empfangenen Signal gemischt wird, ebenfalls geändert. Die Schrittgrößen sind ohne die digitale Korrektur ziemlich groß. Die Schrittgrößen sind jedoch so, dass jedes gewünschte Signal fähig sein wird, durch das zweite Bandpassfilter 8 hindurch zu gehen.
Eine Korrektur wird durch die analoge Steuerung bereitgestellt, das heißt durch den Mischer 6, der unter der Steuerung des Steuerworts arbeitet, das vom digitalen Signalprozessor erzeugt wird. Der Zweck dieser Korrektur besteht darin, zu gewährleisten, dass das Signal, das vom Mischer ausgegeben wird, durch das zweite Bandpassfilter hindurch geht.
Die Verwendung der hybriden Synchronisation ist vorteilhaft, insbesondere dann, wenn die automatische Frequenzsteuerung verwendet wird. Die Frequenz des Signals, das vom Mischer 6 ausgegeben wird, muss so gesteuert werden, dass es durch das zweite Bandpassfilter 8 hindurch gehen kann. Es sollte erkannt werden, dass in alternativen Ausführungsformen der Erfindung andere Verfahren der Steuerung als eine automatische Frequenzsteuerung verwendet werden können.
Zusammengefasst wird eine analoge Korrektur für eine grobe Korrektur bereit gestellt. Eine digitale Korrektur wird für eine feine Korrektur bereit gestellt. Der Frequenzfehler wird durch den Detektor geschätzt. Die tatsächliche Schrittgröße, die bei der analogen Korrektur verwendet wird, wird durch die Schrittgroßenschätzvorrichtung geschätzt. Die DAFC steuert auch die Aufteilung der Korrektur zwischen den analogen und digitalen Teilen. Das analoge Steuersignal wird in jedem Zeitschlitz geändert, so dass die Wirkung eines Schrittes gemessen werden kann. Die digitale Steuerung liefert eine Kompensation der Wirkung dieser bekannten Änderung beim Frequenzfehler, während die Schätzung der Schrittgröße gültig ist. Die Schätzungen der Schrittgröße und des Frequenzfehlers werden auf der Basis der Änderungen des Frequenzfehlers aktualisiert.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine genaue Synchronisation sogar dann liefern, wenn die Schrittgröße relativ groß ist (da der Digital-Analog-Wandler eine kleine Wortlänge aufweist), die Schrittgröße unbekannt ist und/oder die Schrittgröße variabel ist (linear oder nicht linear).
Es wird nun der Erfassungsmodus beschrieben.
Somit wird im Verfolgungsmodus die analoge Steuerung Schlitz für Schlitz geändert. Der Frequenzfehler wird gemessen und die Größenschätzung wird aktualisiert. Der verbleibende Fehler wird dann digital entfernt. Der Erfassungsmodus wird nun beschrieben.
Die anfängliche Erfassung des Signals sollte so schnell wie möglich ausgeführt werden. In hybriden Systemen bedeuten schnelle Synchronisationszeiten gewöhnlicherweise, dass große Korrekturen von Zeit zu Zeit vorgenommen werden müssen. Um die nicht linearen und zeitlich variablen Änderungen zu berücksichtigen, wird der Winkelkoeffizient des Digital-Analog-Wandlers adaptiv auf der Basis zweier aufeinander folgender Fehlerschätzungen geschätzt. Durch die Verwendung zweier aufeinander folgender Fehlerschätzungen kann die Nichtlinearität in den Digital-Analog-Wandlern berücksichtigt und kompensiert werden. Unter Verwendung der adaptiven Steuerung der Schrittschätzung kann, wie das später detaillierter beschrieben wird, die Synchronisationszeit erniedrigt werden, da die sehr großen Korrekturen genauer werden. Insbesondere kann die Wirkung von Temperaturänderungen, Ungenauigkeiten der Bauteile und ein Altern des Digital-Analog-Wandlers kompensiert werden. Zusätzlich können, wenn die Winkelkoeffizienten des Digital-Analog-Wandler abgestimmt werden, diese Werte auf der Basis der Messung unter Verwendung der adaptiven Steuerstruktur, die nun beschrieben wird, aktualisiert werden.
Die Schritte, die ausgeführt werden, werden nun beschrieben.
Im ersten Schritt wird die erste Einstellung auf den festen oder abgestimmten Winkelkoeffizienten gegründet. Das anfängliche Steuerwort oder der Korrekturwert können ausgedrückt werden als: C0 = e0/∀0 wobei e₀ der Fehler des Synchronisationsparameters bei der ersten Messung ist, und wobei ∀₀ die anfängliche Schätzung für den Winkelkoeffizienten des Digital-Analog-Wandlers ist.
Im nächsten Schlitz n oder Schritt wird ein neuer Synchronisationsfehler e_n berechnet, und es wird ein neuer Winkelkoeffizient ∀_n berechnet. ∀n = (en-1 – en)/Cn-1
Das nächste Steuerwort ist somit: Cn = en/∀n
Diese Schritte werden wiederholt, bis eine Synchronisation erzielt wird.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die festen oder abgestimmten Winkelkoeffizienten aktualisiert werden, so dass wenn das nächste Mal eine Erfassung auftritt, die letzte Schätzung des Winkelkoeffizienten als Anfangswert verwendet werden kann, was den ersten Schritt darstellt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen der Digital-Analog-Wandler nicht linear ist, kann der Empfänger eine Tabelle von Werten für die festen oder abgestimmten Winkelkoeffizientenwerte beispielsweise als eine Funktion des Synchronisationsfehlers haben. Der am besten passende feste oder abgestimmte Winkelkoeffizientenwert kann in der ersten Stufe als Anfangswert ausgewählt werden.
Die Fehlerkorrektur und die Fehlerdetektion findet im analogen Bereich statt.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die Vorteile der hybriden (analog und digital) und der voll digitalen Synchronisation kombiniert, ohne einen Digital-Analog-Wandler zu benötigen, der Schritte kleiner Größe verarbeiten kann. Die aktuelle analoge Schrittgröße wird verfolgt und im nächsten Schritt wird die Steuerung mit der Hilfe der geschätzten Schrittgröße berechnet.
Somit können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung insbesondere vorteilhaft sein, wenn sie bei einer automatischen Frequenzsteuerung verwendet werden, wo die Frequenz der abwärtsgewandelten Signale gesteuert werden muss, um zu gewährleisten, dass das gewünschte Signal durch das zweite Filter hindurch geht. Der Steuerteil wird somit ausgeführt, bevor das Signal abgetastet wird, das heißt bevor es von der analogen in die digitale Form umgewandelt wird.
Somit wird im Erfassungsmodus durch die analoge Schaltung auf der Basis des geschätzten Frequenzfehlers und einer anfänglichen Schätzung der Schrittgröße ein Versuch unternommen, den Fehler so zu steuern, dass er null wird. Der Fehler wird gemessen, und die Schätzung des Schritts wird aktualisiert. Das Steuerwort wird dann mit der neuen Schätzung berechnet. Dies wird fortgesetzt, bis der Fehler klein genug ist.
Es sollte erkannt werden, dass während Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Kontext einer Mobilstation beschrieben worden sind, Ausführungsformen der Erfindung in jeden geeigneten Empfänger eingefügt werden können. Der Empfänger kann in die Basisstation eingefügt werden. Der Empfänger kann in anderen Kontexten als drahtlosen zellularen Telekommunikationsnetzen verwendet werden, und er kann immer dort verwendet werden, wo eine Synchronisation erforderlich ist. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können sogar in nicht drahtlosen Empfängern verwendet werden, bei denen Signale von einem Kabel oder dergleichen empfangen werden.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Synchronisationsparameter, der gesteuert wird, die Frequenz. In alternativen Ausführungsformen der Erfindung können andere Parameter gesteuert werden, wie beispielsweise die Zeitsteuerung, die Symbolsynchronisation oder dergleichen.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Abwärtsumwandlung auf die Frequenz des Basisbands in einem Schritt ausgeführt worden. In alternativen Ausführungsformen kann diese Abwärtsumwandlung in zwei oder mehr Schritten erfolgen. In diesem Fall wird die Steuerung, die vom digitalen Signalprozessor geliefert wird, an irgend einen der Mischer gegeben.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde im Kontext eines Frequenz/Zeit-Multiplexsystems beschrieben. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können mit Systemen verwendet werden, die ein Frequenzmultiplexsystem oder ein Zeitmultiplexsystem oder sogar eine Technik mit gespreiztem Spektrum, wie ein Kodemultiplexsystem, verwenden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch mit hybriden Systemen aus zwei oder mehr dieser Zugriffstechniken verwendet werden.

Claims

Synchronisierungseinrichtung für die Verwendung in einem Empfänger, der Signale empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger umfasst: – einen Digital-Analog-Wandler (18); – Mittel (26) zum Bereitstellen eines digitalen Steuersignals, wobei das Steuersignal eines einer Vielzahl von verschiedenen Niveaus definiert; – Mittel (24) zum Steuern des Niveaus, bereitgestellt durch aufeinander Folgende des digitalen Steuersignals, so dass aufeinander Folgende des digitalen Steuersignals verschiedene Werte definieren; und – Mittel (28) zum Abschätzen der Differenzen zwischen den Niveaus aufeinander Folgender des digitalen Steuersignals, wobei die Differenzen verwendet werden, um eine Schrittgröße abzuschätzen, die durch den Digital-Analog-Wandler (18) bereitgestellt wird, und das digitale Steuersignal von dem Digital-Analog-Wandler (18) in ein analoges Steuersignal umgewandelt wird.
Synchronisierungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bereitstellungsmittel (26), die Steuermittel (24) und die Abschätzmittel (28) sich im digitalen Bereich befinden.
Synchronisierungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Bereitstellungsmittel (26), die Steuermittel (24) und die Abschätzmittel (28) in einem digitalen Signalprozessor bereitgestellt sind.
Synchronisierungseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bereitstellungsmittel (26) einen digitalen Korrektor umfassen.
Synchronisierungseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine grobe Korrektur durch das digitale Steuersignal bereitgestellt wird.
Synchronisierungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei eine grobe Korrektur in einem analogen Bereich bereitgestellt wird.
Synchronisierungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine feinere Korrektur bereitgestellt wird.
Synchronisierungseinrichtung nach Anspruch 7, wobei die feinere Korrektur in einem digitalen Bereich bereitgestellt wird.
Synchronisierungseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abschätzmittel (28) eingerichtet ist, um zu bestimmen, dass sich die Differenz zwischen zwei aufeinander folgenden Niveaus erhöht hat, falls die Differenz zwischen dem oberen der Niveaus und einem abgeschätzten Niveau für ein tatsächliches Signal ein Signal auf einem höheren Niveau bereitstellt als ein Signal, das durch eine Differenz zwischen einem Niedrigeren der Niveaus und einem abgeschätzten Niveau für das tatsächliche Signal bereitgestellt wird.
Synchronisierungseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abschätzmittel (28) eingerichtet ist, um zu bestimmen, dass sich die Differenz zwischen zwei aufeinander folgenden Niveaus verringert hat, falls die Differenz zwischen dem oberen der Niveaus und einem abgeschätzten Niveau für ein tatsächliches Signal ein Signal auf einem niedrigeren Niveau bereitstellt als ein Signal, das durch eine Differenz zwischen einem Niedrigeren der Niveaus und einem abgeschätzten Niveau für das tatsächliche Signal bereitgestellt wird.
Synchronisierungseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abschätzmittel (28) eingerichtet ist, um zu bestimmen, dass sich ein tatsächliches Signal geändert hat, falls die Differenz zwischen dem oberen der Niveaus und einem tatsächlichen Signal ein Signal auf im Wesentlichen dem gleichen Niveau bereitstellt wie ein Signal, das durch die Differenz zwischen einem Niedrigeren der Niveaus und dem tatsächlichen Signal bereitgestellt wird, wobei das gleiche Niveau verschieden von einem vorherigen Niveau für das tatsächliche Signal ist.
Synchronisierungseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Synchronisierungseinrichtung eingerichtet ist, Frequenzfehler zu ermitteln und/oder zu verfolgen.
Synchronisierungseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Synchronisierungseinrichtung eingerichtet ist, zeitliche Fehler zu ermitteln und/oder zu verfolgen.
Empfänger, umfassend eine Synchronisierungseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche.
Empfänger nach Anspruch 14, wobei das Steuersignal verwendet wird, um eine Mischfrequenz zu steuern.
Verfahren zum Synchronisieren in einem Empfänger, der Signale empfängt, wobei das Verfahren umfasst: – Bereitstellen eines digitalen Steuersignals, wobei das digitale Steuersignal eines einer Vielzahl von verschiedenen Niveaus definiert; – Steuern des Niveaus, das durch aufeinander Folgende des digitalen Steuersignals bereitgestellt wird, so dass aufeinander Folgende des digitalen Steuersignals verschiedene Werte definieren; – Abschätzen der Differenzen zwischen dem Niveau aufeinander Folgender des digitalen Steuersignals; – Abschätzen einer Schrittgröße, die durch einen Digital-Analog-Wandler bereitgestellt wird, unter Verwendung der Differenzen; und – Umwandeln des digitalen Steuersignals in ein analoges Steuersignal durch den Digital-Analog-Wandler.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei sich das Bereitstellen, das Steuern und das Abschätzen im digitalen Bereich befinden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei eine grobe Korrektur durch das digitale Steuersignal bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei eine grobe Korrektur in einem analogen Bereich bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei eine feinere Korrektur bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die feinere Korrektur in einem digitalen Bereich bereitgestellt wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 21, wobei das Abschätzen bestimmt, dass sich die Differenz zwischen zwei aufeinander folgenden Niveaus erhöht hat, falls die Differenz zwischen dem Oberen der Niveaus und einem abgeschätzten Niveau für ein tatsächliches Signal ein Signal auf einem höheren Niveau bereitstellt als ein Signal, das durch eine Differenz zwischen einem Niedrigeren der Niveaus und einem abgeschätzten Niveau für das tatsächliche Signal bereitgestellt wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 22, wobei das Abschätzen bestimmt, dass sich die Differenz zwischen zwei aufeinander folgenden Niveaus verringert hat, falls die Differenz zwischen dem Oberen der Niveaus und einem abgeschätzten Niveau für ein tatsächliches Signal ein Signal auf einem niedrigeren Niveau bereitstellt als ein Signal, das durch eine Differenz zwischen einem Niedrigeren der Niveaus und einem abgeschätzten Niveau für das tatsächliche Signal bereitgestellt wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 23, wobei das Abschätzen bestimmt, dass sich ein tatsächliches Signal geändert hat, falls die Differenz zwischen dem Oberen der Niveaus und einem tatsächlichen Signal ein Signal auf im Wesentlichen dem gleichen Niveau bereitstellt wie ein Signal, das durch eine Differenz zwischen einem Niedrigeren der Niveaus und dem tatsächlichen Signal bereitgestellt wird, wobei das gleiche Niveau von einem vorherigen Niveau für das tatsächliche Signal verschieden ist.