DE60207600T2

DE60207600T2 - Vorrichtung und verfahren zur schätzung des taktfehlers in einem digitalen empfänger mittels trainingssequenzen

Info

Publication number: DE60207600T2
Application number: DE60207600T
Authority: DE
Inventors: Dagnachew Birru
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: KR20040045921A; EP1442553B1; WO2003036854A1; CN1309206C; ATE311051T1; US20030081700A1; US7079613B2; EP1442553A1; JP2005506799A; DE60207600D1; CN1575561A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anordnung zum Bestimmen einer Schätzung eines Taktfehlers in einem digitalen Signalempfänger. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein digitales Empfängersystem mit der Anordnung, auf ein Verfahren zum Bestimmen einer Schätzung eines Taktfehlers in einem digitalen Signalempfänger und auf computerdurchführbare Prozessschritte, die auf einem vom Computer auslesbaren Medium gespeichert sind, zum Bestimmen einer Schätzung eines Taktfehlers in einem digitalen Signalempfänger.
Bei digitaler Kommunikation muss ein digitaler Signalempfänger die Taktfrequenz des digitalen Signalsenders aus Information wiederherstellen, die sich in dem übertragenen digitalen Signal befindet. Dieser Prozess wird oft als Taktwiederherstellung bezeichnet. In vielen Applikationen wird die Taktwiederherstellung durch Extraktion eines Taktfehlers von den statistischen Eigenschaften des empfangenen digitalen Signals durchgeführt. Wenn das übertragene digitale Signal starken Störungen ausgesetzt ist, wie Kanalrauschen und Mehrfachstrecken, können Algorithmen, die von den Eigenschaften des übertragenen digitalen Signals abhängig sind, die Wiederherstellung der Taktinformation verpassen.
Um eine Taktwiederherstellung zu ermöglichen, wird oft eine bekannte Sequenz, die als "Trainingssequenz" bezeichnet wird, zu regelmäßigen Intervallen als einen Teil des Hauptdatenstromes übertragen. Information von der Trainingssequenz hilft dem digitalen Signalempfänger bei der Wiederherstellung der übertragenen Daten. Wenn es starke Interferenz gibt, wird die Qualität der Leistung des Taktfehlerdetektors von dem speziellen Algorithmus abhängig sein, der verwendet wird, um die Taktinformation aus der Trainingssequenz zu extrahieren. Bekannte Algorithmen extrahieren die Taktinformation aus einer einzigen Trainingssequenz. Das heißt, die Wiederherstellung der Taktinformation erfolgt unter Anwendung der Übertragung nur einer einzigen Trainingssequenz um einen Taktfehler wiederherzustellen. Bekannt Algorithmen, die nur eine einzige Trainingssequenz in dem Taktfehlerwiederherstellungsprozess anwenden, können im Beisein einer starken Signalstörung nicht gut leisten.
Es gibt deswegen ein Bedürfnis nach einer Anordnung und einem Verfahren, die bzw. das imstande ist Information aus mehr als nur einer einzigen Trainingssequenz zu benutzen um Taktfehlerinformation zu extrahieren, damit eine Taktrate eines digitalen Signalsenders im Beisein starker Signalstörung genauer wiederherstellt.
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung zum Schaffen einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art um auf eine bessere Art und Weise eine Schätzung eines Taktfehlers in einem digitalen Signalempfänger zu ermitteln.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind u. a. das Schaffen eines digitalen Empfängersystems mit der Anordnung und das Schaffen eines Verfahrens zum Ermitteln einer Schätzung eines Taktfehlers in einem digitalen Signalempfänger und in computerdurchführbaren Verfahrensschritten, die auf einem von Computer auslesbarem Medium gespeichert sind, zum Ermitteln einer Schätzung eines Taktfehlers in einem digitalen Signalempfänger, und beides auf eine bessere Art und Weise.
Die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung weist dazu das Kennzeichen auf, dass die genannte Anordnung einen Taktfehlercontroller aufweist, und zwar zum:

– Extrahieren erster Daten um eine erste Trainingssequenz herum, empfangen zu einem ersten Zeitpunkt,
– Abtasten der ersten Daten mit einer Rate, die einer Sendertaktperiode nahezu entspricht,
– Verwenden der Rate zum Berechnen eines ungefähren Zeitpunktes, zu dem eine zweite Trainingssequenz empfangen wird,
– Extrahieren zweiter Daten um eine zweite Trainingssequenz herum, empfangen zu einem zweiten Zeitpunkt,
– Berechnen eines komplexen Kreuzleistungsspektrums, und
– Berechnen des Taktfehlers aus einer mittleren Phase des komplexen Kreuzleistungsspektrums.

Das digitale Empfängersystem nach der vorliegenden Erfindung umfasst die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:

– das Extrahieren erster Daten um eine erste Trainingssequenz herum, empfangen zu einem ersten Zeitpunkt,
– das Abtasten der ersten Daten mit einer Rate, die einer Sendertaktperiode nahezu ent spricht,
– das Verwenden der Rate zum Berechnen eines ungefähren Zeitpunktes, zu dem eine zweite Trainingssequenz empfangen wird,
– das Extrahieren zweiter Daten um eine zweite Trainingssequenz herum, empfangen zu einem zweiten Zeitpunkt,
– das Berechnen eines komplexen Kreuzleistungsspektrums, und
– das Berechnen des Taktfehlers aus einer mittleren Phase des komplexen Kreuzleistungsspektrums.

Die vom Computer durchführbaren Prozessschritte nach der vorliegenden Erfindung weisen das Kennzeichen auf, dass die von dem Computer durchführbaren Verfahrensschritte die nachfolgenden Schritte umfassen:

– das Extrahieren erster Daten um eine erste Trainingssequenz herum, empfangen zu einem ersten Zeitpunkt,
– das Abtasten der ersten Daten mit einer Rate, die einer Sendertaktperiode nahezu entspricht,
– das Verwenden der Rate zum Berechnen eines ungefähren Zeitpunktes, zu dem eine zweite Trainingsequenz empfangen wird,
– das Extrahieren zweiter Daten um eine zweite Trainingsequenz herum, empfangen zu einem zweiten Zeitpunkt,
– das Berechnen eines komplexen Kreuzleistungsspektrums, und
– das Berechnen des Taktfehlers aus einer mittleren Phase des komplexen Kreuzleistungsspektrums.

Im Obenstehenden sind ziemlich ausführlich die Merkmale und die technischen Voreile der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, so dass der Fachmann die nachfolgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung besser verstehen kann. Zusätzliche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend näher beschrieben, und bilden den Gegenstand der Patentansprüche der vorliegenden Erfindung. Dem Fachmann dürfte einleuchten, dass sie das Konzept und die spezifische beschriebene Ausführungsform als Basis einer Modifikation verwenden können oder andere Strukturen zum Durchführen der gleichen Zwecke der vorliegenden Erfindung entwerfen können. Dem Fachmann dürfte ebenfalls einleuchten, dass derartige entsprechende Konstruktionen im Rahmen der vorliegenden Erfindung in ihrer breitesten Form liegen.
Bevor die detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung anfängt, kann es vorteilhaft sein, Definitionen bestimmter Wörter und Phrasen, die in diesen Dokument verwendet werden darzulegen: die Terme "umfassen" und "enthalten" und Ableitungen davon bedeutet Einbeziehung ohne Begrenzung; der Term "oder" bedeutet auch und/oder; die Phrasen "assoziiert mit" und "damit assoziiert" sowie Abgeleitete davon können Folgendes bedeuten: einschließen, eingeschlossen sein, verbunden sein mit, enthalten sein, verbinden mit, koppeln mit, in Kommunikation sein mit, zusammenarbeiten mit, verschachteln, nebeneinander stellen, nahe liegen, eine Eigenschaft haben, oder dergleichen; und der Term "Controller", "Prozessor" oder "Anordnung" bedeutet jede beliebige Anordnung, jedes beliebige System oder einen Teil davon, die, das bzw. der wenigstens einen Vorgang steuert, eine derartige Anordnung kann in Hardware, Firmware oder Software oder in einer Kombination der beiden letzteren implementiert werden. Es sei bemerkt, dass die mit einem bestimmten Controller assoziierte Funktionalität zentral oder verteilt sein kann, entweder örtlich oder fern. Insbesondere kann ein Controller einen oder mehrere Datenprozessoren enthalten und assoziierte Eingangs/Ausgangsanordnungen und einen Speicher, der ein oder mehrere Applikationsprogramme und/oder ein Operationssystemprogramm durchführt. Definitionen für bestimmte Wörter und Phrasen werden in dem vorliegenden Dokument verwendet. Dem Fachmann dürfte es einleuchten, dass in vielen, wenn nicht allen Fällen derartige Definitionen für bekannten Gebrauch sowie für künftigen gebrauch derartiger definierter Wörter und Phrasen gelten.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und der Vorteile davon sei auf die nachfolgende Beschreibung im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung verwiesen, wobei dieselben Bezugszeichen gleiche Objekte bezeichnen. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines digitalen Fernsehgeräts mit einer Taktwiederherstellungseinheit nach der vorliegenden Erfindung,
2 ein Blockschaltbild mit einer detaillierten Darstellung der Taktwiederherstellungseinheit nach 1,
3 ein Blockschaltbild einer Reihe von Vorgängen, die in einem Taktwiederherstellungsmodul innerhalb der Taktwiederherstellungseinheit nach der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden,
4 ein Flussdiagramm mit den Schritten eines Verfahrens einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
5 eine Graphik mit den Ergebnissen einer Simulation, wobei detektierte Taktfehlerinformation, erhalten nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung, gegenüber der aktuellen Taktfehlerinformation aufgetragen ist.
Die oben beschriebenen 1 bis 5 und die jeweiligen Ausführungsformen, die zur Beschreibung der Grundlagen der vorliegenden Erfindung in diesem Dokument verwendet worden sind, sind nur zur Illustration gegeben und sollen keineswegs den Rahmen der vorliegenden Erfindung begrenzen. Die vorliegende Erfindung zur Verwendung von Trainingssequenzen zum Schätzen von Taktfehlern in einem digitalen Signalempfänger kann bei jedem beliebigen digitalen Signalempfänger angewandt werden, der eine Trainingssequenz verwendet.
In der Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung integriert oder wird im Zusammenhang mit einer Taktwiederherstellungseinheit innerhalb eines digitalen Fernsehempfängers verwendet. Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die Verwendung in einem digitalen Fernsehgerät. Dem Fachmann dürfte es einleuchten, dass die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einfache Art und Weise zur Verwendung in jedem beliebigen Typ eines digitalen Empfängersystems, das eine Taktsequenz benutzt, die unbegrenzt digitale Fernsehsysteme, Set-Top-Boxen, digitale Speicheranordnungen, digitale Funksysteme und jeden beliebigen Typ eines digitalen Systems enthält, das eine Trainingssequenz in einem digitalen Signalempfänger enthält, modifiziert werden kann. Der Ausdruck "digitales Empfängersystem" wird benutzt um diese Arten von Ausrüstung zu bezeichnen.
1 ist ein Blockschaltbild eines digitalen Fernsehempfängers 100, der die Anordnung und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung benutzt. Das digitale Fernsehgerät 100 umfasst den Fernsehempfänger 110 und die Wiedergabeanordnung 115. Die Wiedergabeanordnung 115 kann eine Elektronenstrahlröhre oder ein Flachbildschirm sein oder jeder beliebige Typ von Ausrüstung zur Wiedergabe von Video. Der Fernsehempfänger 110 umfasst eine Antenne 105 zum Empfangen von Fernsehsignalen. Die Antenne 105 ist mit dem Tuner 120 gekoppelt. Der Tuner 120 ist mit dem ZF-Prozessor 125 gekoppelt. Der ZF-Prozessor 125 ist mit dem Demodulator 130 gekoppelt. Der Demodulator 130 umfasst eine Taktwiederherstellungseinheit 135 nach der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung stellt einen Wert eines Taktfehlers aus den digitalen Signalen innerhalb des Demodulators 130 wieder her.
Der Ausgang des Demodulators 130 ist mit dem MPEG Decoder 140 gekoppelt. Der Ausgang des MPEG Decoders 140 ist mit Nachverarbeitungsschaltungen 145 gekoppelt. Der Ausgang der Nachverarbeitungsschaltungen 145 ist als Eingang zu der Wiedergabeeinheit 115 vorgesehen.
Die Taktwiederherstellungseinheit 135 verarbeitet digitale Videosignale, die von dem Demodulator 130 aus dem Prozessor 125 empfangen werden. Wie in 2 detailliert dargestellt, umfasst die Taktwiederherstellungseinheit 135 einen Videoprozessor 200. Der Videoprozessor 200 empfängt Videosignale und analysiert den Inhalt der Videosignale. Der Videoprozessor 200 kann Videosignalanteile in der Speichereinheit 210 speichern.
Die Speichereinheit 210 kann einen RAM oder eine Kombination aus einem RAM und einem ROM aufweisen. Die Speichereinheit 210 kann einen nichtflüchtigen RAM, wie einen Flash-Speicher enthalten. Die Speichereinheit 210 kann eine Massenspeicherdatenanordnung enthalten, wie eine (nicht dargestellte) Festplatte. Die Speichereinheit 210 kann auch ein angehängtes Laufwerk oder ein entfernbares Plattenlaufwerk enthalten (entweder eingebettet oder angehängt), das Lese/Schreib DVDs oder neu beschreibbare CD-ROMSs ausliest. Wie in 2 dargestellt, sind entfernbare Plattenlaufwerke dieser Art imstande, eine neu beschreibbare CD-ROM-Disk 220 zu empfangen und auszulesen.
Der Videoprozessor 200 liefert Videosignale zu dem Controller 230 nach der vorliegenden Erfindung. Der Controller 230 ist imstande, Steuersignale von dem Videoprozessor 200 zu empfangen. Der Controller 230 ist auch imstande, dem Videoprozessor 200 Steuersignale zuzuführen. Der Controller 230 ist auch über die Speichereinheit 210 mit dem Videoprozessor 200 gekoppelt. Der Videoprozessor 200 und der Controller 230 arbeiten unter Verwendung (nicht dargestellter) herkömmlicher Operationssoftware.
Wie noch näher beschrieben wird, ist der Controller 230 imstande, unter Verwendung bekannter Trainingssequenzen, die in den Videosignalen vorhanden sind, einen Wert des Taktfehlers wiederherzustellen. Der Controller 230 ist auch imstande, in der Speichereinheit 210 Information zu speichern, die sich auf den Wert des Taktfehlers bezieht, der innerhalb der digitalen Videosignale auftritt. Der Videoprozessor 200 ist in Reaktion auf einen Antrag des Benutzers imstande, auf Taktfehlerinformation zuzugreifen, die in der Speichereinheit 210 gespeichert ist und die Taktfehlerinformation der (in 1 dargestellten) Wiedergabeeinheit 115 zuzuführen.
Der Controller 230 enthält ein Taktfehlerwiederherstellungsmodul 240. Dieses Modul 240 enthält Computersoftware 250, die imstande ist, die Verfahrensschritte nach der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Der Controller 230 und die Computersoftware 250 umfassen zusammen einen Taktfehlercontroller, der imstande ist, die vorliegende Erfindung durchzuführen. Unter der Leitung der Instruktionen in der Computersoftware 250, die in dem Controller 230 gespeichert ist (oder die in der Speichereinheit 210 gespeichert ist), ist der Controller 230 imstande, nach dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung Werte des Taktfehlers zu detektieren. Um die Wirkungsweise des Controllers 230 und der Computersoftware 250 zu verstehen, muss man wissen, wie die Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
Der Controller 230 und das Taktfehlerwiederherstellungsmodul 240 empfangen Videosignaldaten von dem Videoprozessor 200. Die empfangenen Daten umfassen eine bekannte Trainingssequenz, die in dem Videosignaldatenstrom periodisch übertragen wird. Die empfangenen Daten um die Trainingssequenz herum, die zu dem Zeitpunkt t1 empfangen werden, lassen sich wie folgt beschreiben: Y1(t) = Σakh1(t – kT) + e1(t) (1)wobei a_k die Trainingssequenz darstellt und h1 die Kanalstoßantwort zu dem Zeitpunkt t1 darstellt. Der Term e1(t) stellt einen Fehlerterm dar, der für Kanalstörung und zusätzliche Fehler durch Mehrfachstreckeneffekte der Daten gilt, die vor und nach der Trainingssequenz übertragen werden. Der Term T stellt die Taktperiode des Senders dar. Weil der Kanal ein in der Zeit variierender Kanal sein kann, können die Kanalimpulse h(t) zwischen der Zeit der Übertragung einer ersten Trainingssequenz und der Zeit der Übertragung einer nachfolgenden Trainingssequenz variieren.
Die Taktperiode T des Senders ist nicht genau bekannt. Aber der Wert der Taktperiode T ist ungefähr bekannt. Der Controller 230 setzt voraus, dass die Taktperiode des Senders gleich T2 ist, wobei T2 ein Wert ist, der der augenblicklichen Taktperiode T nahezu entspricht.
Der Controller 230 tastet danach die Daten der Gleichung (1) mit einer Rate gleich T₂ ab. Das Ergebnis der Abtastung ist: Y1(nT2) = Σakh1(nT2 – kT) + e1(nT2) (2)
Wenn der Wert T₂ anders ist als der Wert T, dann wird der Empfänger nicht zu dem Sendertakt synchronisiert. Dann können die übertragenen Daten nicht von dem Empfänger einwandfrei wiederhergestellt werden.
Unter Verwendung der vorausgesetzten Taktperiode T₂ kann der Controller 230 den ungefähren Zeitpunkt berechnen, an dem die nächste Trainingssequenz empfangen werden wird. Der nächste Auftritt der Trainingssequenz wird auf ideale Art und Weise nach dem Ablauf einer Zeitperiode gleich dem M-fachen T-Wert auftreten, wobei der Buchstabe M die bekannte Anzahl Symbole zwischen jeder nachfolgenden Trainingssequenz darstellt. Der Controller 230 kennt den genauen Wert von M, kennt aber nicht den genauen Wert von T. Der Controller 230 kann aber einen ungefähren Wert für den nächsten Auftritt einer Taktsequenz berechnen, und zwar durch Berechnung eines Wertes, der dem m-fachen T₂-Wert entspricht.
Der "Taktfehler" wird derart definiert, dass dies die Zeitdifferenz zwischen der Zeitperiode M-fach T und der Zeitperiode M-fach T₂ ist. Der Taktfehler wird durch den griechischen Buchstabe "Tau" (τ) dargestellt: τ = MT – MT2 = M(T – T2) (3)
Der Controller 230 empfängt dann Daten um eine nachfolgende Trainingssequenz herum, die zu dem Zeitpunkt t₂ empfangen wird. Diese Daten lassen sich wie folgt schreiben: y2(nT2)= Σakh1(nT2 – kT – τ) + e2(nT2) (4)
Der Wert des Taktfehlers τ soll ermittelt werden. Nachdem der Wert des Taktfehlers τ ermittelt worden ist, kann der Wert der Sendertaktperiode T aus der Gleichung (3) erhalten werden, und zwar unter Verwendung der bekannten Werte M und T₂. Die Anordnung und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung benutzten eine differenzielle Technik zum Ermitteln des Taktfehlers τ. Der Term "differenziell" bezieht sich auf die Tatsache, dass die Anordnung und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung die Differenz zwischen der Eintreffzeit einer ersten Trainingssequenz und der Eintreffzeit einer nachfolgenden Trainingssequenz herausfinden und benutzen.
Wenn der Kanal ein dynamischer Kanal ist, dann wird der Wert von h₁(t) nicht dem Wert von h₂(t) entsprechen. Aber für einen Kanal, der relativ langsam gegenüber dem Wert des Taktfehlers τ sich ändert, kann vorausgesetzt werden, dass h₁(t) und h₂(t) um einen geringen Betrag voneinander abweichen. Dies kann wie folgt dargetellt werden: h2(t) = h1(t) + Δh(t) (5)wobei Δh(t) den geringen Betrag darstellt, um den h₁(t) von h₂(t) abweicht. Ersatz von Gleichung (5) in Gleichung (4) ergibt: y2(nT2) = Σakh1(nT2 – kT – τ) + e3(nT2) (6)wobei e₃(nR₂) die Summe von e₂(nT₂) und einem Term ist, der der Faltung von Δh(t) mit der Trainingssequenz a_k entspricht. Das heißt: e3(nT2) = e2(nT2) + (Δh(t)⊗ak) (7)wobei das Symbol ⊗ den Faltungsvorgang darstellt.
In der Frequenzdomänengleichung (2) hat die Form: Y1(ejω) = P(ejω) + E1(ejω) (8)wobei der Term P(e^jω) eine Frequenzdomänendarstellung des Summierungsterms in der Gleichung (2) ist, die h₁ enthält. Der Term E₁(e^jω) ist eine Frequenzdomänendarstellung des Terms e₁(nT₂) in der Gleichung (2).
In der Frequenzdomäne hat die Gleichung (6) die Form: Y2(ejω) = P(ejω)ejωτ + E3(ejω) (9)wobei der Term P(e^jω) eine Frequenzdomänendarstellung des Summierungsterms in der Gleichung (6) ist, der h₁ enthält. Der Term e^jω ist eine Frequenzdomänendarstellung des Terms in der Gleichung (6), der den Taktfehler τ enthält. Der Term E3(e^jω) ist eine Frequenzdomänendarstellung des Terms e₃(nT₂) in der Gleichung (6).
Das komplexe Kreuzleistungsspektrum des empfangenen Signals kann durch Multiplikation von Y₁(e^jω) mit dem konjugiert-komplexen Wert von Y₂(e^jω) berechnet werden. Insbesondere Y1(ejω)Y2(e–jω) = |P(ejω)|2e–jωτ + E4(ejω) (10)wobei E₄(e^jω) eine Frequenzdomänendarstellung von Termen ist, die Funktionen von e^jω sind. Die Phase des Kreuzleistungsdichtenspektrums ist abhängig von dem Wert des Taktfehlers τ und dem Wert von E₄(e^jω).
Wenn die Phase des Kreuzleistungsdichtenspektrums der Gleichung (10) betrachtet wird, gibt es zwei (2) Phasenanteile, die unterschieden werden können. Der erste Phasenanteil ist ein deterministischer Phasenanteil, der dem Taktfehler τ zuzuschreiben ist. Der zweite Phasenanteil ist ein beliebiger Anteil, der dem Wert E₄(e^jω) zuzuschreiben ist.
Die Phase, die dem Wert E₄(e^jω) zuzuschreiben ist, und die Phase, die dem Taktfehler τ zuzuschreiben ist, können nicht unmittelbar addiert werden um die gesamte Phase zu erhalten.
Weil E₄(e^jω) als beliebig vorausgesetzt werden kann, kann der mittlere Phasenbeitrag durch den Wert E₄(e^jω) als beliebig vorausgesetzt werden mit einem vernachlässigbaren Hauptwert des Phasenbeitrags. Deswegen kann der Taktfehler τ dadurch erhalten werden, dass die mittlere Phase des Kreuzleistungsdichtenspektrums der Gleichung (10) gefunden wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das komplexe Kreuzleistungsspektrum unter Verwendung von FFT-Einheiten berechnet werden. Es wird nun vorausgesetzt, dass eine N-Punkt FFT-Einheit verwendet wird zum Berechnen eines komplexen Kreuzleistungsspektrums Y(k). Danach kann der Taktfehler τ dadurch geschätzt werden, dass der Mittelwert der Phase jeder Frequenz wie folgt in der
wobei C ein Skalierungsfaktor ist.
Nachdem der Taktfehler τ ermittelt worden ist, kann der Taktratenfehler (d.h. die Differenz zwischen T und T₂) aus der Gleichung (3) berechnet werden. Danach kann die Sendertaktrate T ermittelt werden, weil der Wert T₂ bekannt ist.
In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Wert des Taktfehlers τ unter Anwendung numerischer Differentiation ermittelt werden. Das numerische Differentiationsverfahren benutzt die Tatsache, dass Differentiation des Winkels des Kreuzleistungsspektrums der Gleichung (10) gegenüber ω einen ungefähren Wert für den Taktfehler τ ergibt. Deswegen kann der Taktfehler τ unter Anwendung der nachfolgenden Gleichung erhalten werden:
wobei C ein Skalierungsfaktor ist und wobei f(.) eine Funktion ist zum Kompensieren der Diskontinuität wegen der Modulo 2π Vorgänge. Weil Winkelmodulation typischerweise in dem Bereich [–π, π] liegt, sind die Gleichung (11) und die Gleichung (12) im Allgemeinen modulo 2π Gleichungen.
Dadurch kann die Schätzung des Taktfehlers τ zu einer fehlerhaften Schätzung eingepackt werden. Um dieses Problem zu vermeiden kann die Schätzung des Taktfehlers τ bei jedem Frequenz-Bin der FFT ausgepackt werden, und zwar bevor der mittlere Wert des Taktfehlers τ berechnet wird.
In einer anderen alternativen vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Wert des Taktfehlers τ dadurch ermittelt werden, dass zunächst die Kreuzkorrelation von y₁(nT₂) der Gleichung (2) und von y₂(nT₂) der Gleichung (6) in der Zeitdomäne berechnet wird. Danach wird das Ergebnis der Kreuzkorrelation einer FFT-Einheit zugeführt um das komplexe Kreuzleistungsspektrum Y(K) in der Frequenzdomäne zu erhalten. Der Taktfehler wird danach unter Anwendung eines der oben beschriebenen Verfahrens ermittelt.
3 ist ein Blockschaltbild, das die Vorgänge zeigt, die in dem Controller 230 innerhalb des Taktfehlerwiederherstellungsmoduls 240 durchgeführt werden. Der Controller 230 führt die Verfahrensschritte durch, die in der Computer-Software 250 gespeichert sind, zum Durchführen der in 3 dargestellten Vorgänge. Die Trainingssequenzextraktionseinheit 310 empfängt Daten und extrahiert die Daten um die erste zu dem Zeitpunkt t₁ empfangenen Trainingssequenz herum. Diese Daten werden als y₁(nT₂) bezeichnet. Die y₁(nT₂) Daten werden der FFT-Einheit 320 zugeführt, wo die Daten in die Frequenzdomäne umgewandelt werden. Der Ausgang der FFT-Einheit 320 für die y₁(nT₂) Daten ist Y₁(e^jω).
Die Trainingssequenzextraktionseinheit 310 empfängt Daten und extrahiert die Daten um eine nachfolgende Trainingssequenz herum, die zu dem Zeitpunkt t₂ empfangen wird. Diese Daten werden als y₂(nT₂) bezeichnet. Die y₂(nT₂) Daten werden der FFT-Einheit 330 zugeführt, wo die Daten in die Frequenzdomäne umgewandelt werden. Der Ausgang der FFT-Einheit 330 für die y₂(nT₂) Daten ist Y₂(e^jω).
Die zwei FFT-Einheiten 320 und 330 sind der Deutlichkeit halber in 3 als einzelne Einheiten dargestellt. In einer alternativen, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die FFT-Einheit 320 und die FFT-Einheit 330 in einer einzigen Einheit implementiert werden.
Der Ausgang Y₂(e^jω) der FFT-Einheit 330 wird in den komplex-konjugierten Wert in der Einheit 350 umgewandelt. In der Multipliziereinheit 340 wird der Ausgangswert Y₁(e^jω) der FFT-Einheit 320 mit dem komplex-konjugierten Wert Y₂(e^jω) von der Einheit 350 multipliziert zum Erhalten des komplexen Kreuzleistungsspektrums Y₁(e^jω) Y₂(e^jω). Das komplexe Kreuzleistungsspektrum wird danach der Fehlerberechnungseinheit 360 zugeführt.
Die Fehlerberechnungseinheit 360 ermittelt auf die oben beschriebene Art und Weise den Taktfehler τ aus der Phase des komplexen Kreuzleistungsspektrums. Der Ausgang der Fehlerberechnungseinheit 360 wird in dem Filter 370 gefiltert zum Liefern eines Taktfehlersignals, das den Taktfehler τ darstellt. Die Sendertaktrate T wird danach auf die oben beschriebene An und Weise aus dem Taktfehler τ ermittelt.
4 zeigt ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Die Schritte werden kollektiv durch das Bezugszeichen 400 bezeichnet.
Der Controller 230 empfängt Daten und extrahiert y₁ Daten um eine erste Trainingssequenz herum, die zu dem Zeitpunkt t₁ (Schritt 410) empfangen worden ist. Der Controller 230 tastet danach die y₁ Daten ab, und zwar mit einer T₂ Rate, die etwa der Sendertaktperiode T (Schritt 420) entspricht. Der Controller 230 benutzt danach die T₂ Datenrate zum Berechnen eines ungefähren Wertes während einer Zeit t₂, wenn eine zweite Trainingssequenz empfangen wird (Schritt 430). Danach extrahiert der Controller 230 y₂ Daten um die zweite Trainingssequenz herum, die zu dem Zeitpunkt t₂ (Schritt 440) empfangen worden ist.
Der Controller 230 verwandelt die Zeitdomänendarstellung der y₁ Daten in eine Frequenzdomänendarstellung Y₁(e^jω) (Schritt 450). Der Controller 230 verwandelt die Zeitdomänendarstellung der y₂ Daten in eine Frequenzdomänendarstellung Y₂(e^jω) (Schritt 460). In dieser Beschreibung ist der Schritt 450 deutlichkeitshalber als dem Schritt 460 vorhergehender Schritt beschrieben worden. In der Praxis können der Schritt 450 und der Schritt 460 gleichzeitig durchgeführt werden.
Der Controller 230 berechnet dann das komplexe Kreuzleistungsspektrum durch Multiplikation von Y₁(e^jω) mit dem komplex-konjugierten Wert Y₂(e^jω) auf eine oben beschriebene An und Weise (Schritt 470). Der Controller 230 berechnet dann den Taktfehler τ aus einer mittleren Phase des komplexen Kreuzleistungsspektrum (Schritt 480).
Schließlich berechnet der Controller 230 die Sendertaktperiode T aus dem berechneten Wert des Taktfehlers τ und den bekannten Werten von M und T₂ (Schritt 490).
5 zeigt eine Graphik, die das Ergebnis einer Simulation illustriert, wobei detektierte Taktfehlerinformation, erhalten nach dem Prinzip der vorliegenden Erfindung gegenüber der aktuellen Taktfehlerinformation aufgetragen worden ist. Die in 5 dargestellte Graphik stellt die aus einer Simulation erhaltenen Ergebnisse dar, wobei diese Simulation unter Anwendung des nachstehend beschriebenen MATLAB Codesatzes erzeugt wurde.
Die Simulation stellte einen ATSC 8-VSB Digitalfernsehnormkanal dar. In der ATSC 8-VSB Norm wird eine Trainingssequenz (oder "Teilbildsync") mit einer Länge von siebenhundert (700) Symbolen zu regelmäßigen Intervallen übertragen. Jeder Teilbildsync wird durch eine Anzahl Symbole gleich 832 mal 313 getrennt. Deswegen ist der Wert von M (d.h. die bekannte Anzahl Symbole zwischen jeder nachfolgenden Trainingssequenz) gleich 260.416. Der Empfänger setzt voraus, dass eine ungefähre Taktrate des Senders 10,76 MHz beträgt. Dieser Wert entspricht einem Wert von T₂ gleich 92,9 Nanosekunden.
5 zeigt die Ergebnisse von Simulationen für mehrere Taktfehler. Für h₁(t), d.h. die Kanalstoßantwort zu dem Zeitpunkt t₁, benutzte die Simulation einen Wert von [10 – 100,5]. Für h₂, d.h. die Kanalstoßantwort zu dem Zeitpunkt t₂, benutzte die Simulation einen Wert, der der Summe von h₁(t) und einem beliebigen Anteil entspricht, zum Simulieren eines dynamischen Kanals. Danach wird jeder Punkt unter Verwendung eines anderen Wertes für h₂(t) erzeugt. Bei einem Punkt in der Simulation war beispielsweise der Wert von h₂(t) [0,603 – 0,096 – 1,082 – 0,1782 0,885]. Es wurde auch ein beliebiger Anteil hinzugefügt um einen Störabstand (SNR) von zehn Dezibel (10 dB) zu schaffen.
Wie aus 5 ersichtlich, schafft das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung eine sehr gute Wiederherstellung des Taktfehlers. Es wurde typischerweise eine Taktfehlergenauigkeit von etwa fünf Teilen je Million (5 ppm) beobachtet. Der Taktfehler bei jedem Frequenz-Bin wurde unter Anwendung numerischer Differentiation detektiert. Der Berechnungswinkel wurde unter Verwendung eines einfachen Bewegungsmittelungsfilters vorgefiltert um den Effekt von Kanalbeeinträchtigung zu reduzieren.
Der zum Erzeugen der in der Graphik nach 5 dargestellten Simulation verwendete MATLAB Code ist wie folgt:
Während die vorliegende Erfindung anhand bestimmter Ausführungsformen davon detailliert beschrieben worden ist, dürfte es dem Fachmann einleuchten, dass er im Rahmen der vorliegenden Erfindung im breitesten Sinne viele Änderungen, Abwandlungen und Anpassungen der vorliegenden Erfindung durchführen kann.

1

120: Tuner
125: ZF-Prozessor
135: Demodulator
130: Taktwiederherstellungseinheit
140: MPEG Decoder
145: Nachverarbeitungsschaltungen
115: Wiedergabeeinheit

2

: Eingang
200: Videoprozessor
: Ausgang
: Videosignale
: Steuersignale
210: Speichereinheit
230: Controller
240: Taktfehlerwiederherstellungsmodul
250: Computer Software

3

320: FFT-Einheit
360: Fehlerberechnungseinheit
370: Filter
: Taktfehler
: Empfangene Daten
310: Trainingssequenzextraktionseinheit
330: FFT-Einheit

4

410: Extrahieren von y₁ Daten um eine erste zu dem Zeitpunkt t₁ empfangenen Trainingssequenz herum
420: Abtasten von y₁ Daten mit einer Rate von T₂, die der Sendertaktperiode T nahezu entspricht
430: Verwendung von T₂ zum Berechnen der ungefähren Zeit t₂, wenn eine zweite Trainingssequenz empfangen wird
440: Extrahieren von y₂ Daten um eine zweite Trainingssequenz herum, die zu dem Zeitpunkt t₂ empfangen wurde
450: Umwandlung der Zeitdomänendarstellung von y₁ Daten in eine Frequenzdomänendarstellung Y₁
460: Umwandlung der Zeitdomänendarstellung von y₂ Daten in Frequenzdomänendarstellung Y₂
470: Berechnung des komplexen Kreuzleistungsspektrums
480: Berechnung des Taktfehlers aus einer mittleren Phase des komplexen Kreuzleistungsspektrums
490: Berechnung der Sendertaktperiode T unter Verwendung des berechneten Wertes des Taktfehlers.

5

: Detektierter Taktfehler (ppm)
: Taktfehler (ppm)

Claims

Anordnung (135) zum Bestimmen einer Schätzung eines Taktfehlers in einem digitalen Signalempfänger (110), dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Anordnung (135) einen Taktfehlercontroller (230) aufweist, und zwar zum: – Extrahieren (410) erster Daten y₁ um eine erste Trainingsequenz herum, empfangen zu einem ersten Zeitpunkt t₁, – Abtasten (420) der ersten Daten y₁ mit einer Rate T₂, die einer Sendertaktperiode T nahezu entspricht, – Verwenden (430) der Rate T₂ zum Berechnen eines ungefähren Zeitpunktes t₂, zu dem eine zweite Trainingsequenz empfangen wird, – Extrahieren (440) zweiter Daten y₂ um eine zweite Trainingsequenz herum, empfangen zu einem zweiten Zeitpunkt t₂, – Berechnen (470) eines komplexen Kreuzleistungsspektrums, und – Berechnen (480) des Taktfehlers aus einer mittleren Phase des komplexen Kreuzleistungsspektrums.
Anordnung (135) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des komplexen Kreuzleistungsspektrums durchgeführt wird durch: – Umwandlung (450) einer ersten Zeitdomänendarstellung der ersten Daten y₁ in eine erste Frequenzdomänendarstellung Y₁, – Umwandlung (460) einer zweiten Zeitdomänendarstellung der zweiten Daten y₂ in eine zweite Frequenzdomänendarstellung Y₂, und – Multiplikation der ersten Frequenzdomänendarstellung Y₁ durch eine komplexe Paarung der zweiten Frequenzdomänendarstellung Y₂.
Anordnung (135) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des komplexen Kreuzleistungsspektrums durchgeführt wird durch: – Berechnung einer Kreuzkorrelation der ersten Zeitdomänendarstellung der ersten Daten y₁ und der zweiten Zeitdomänendarstellung der zweiten Daten y₂, und – Umwandlung der Kreuzkorrelation in eine Frequenzdomänendarstellung.
Anordnung (135) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Taktfehlers aus der mittleren Phase des Kreuzleistungsspektrums dadurch durchgeführt wird, dass ein Mittelwert einer Phase jedes Frequenzbins einer N-Punkt FFT gefunden wird, verwendet zum Berechnen des komplexen Kreuzleistungsspektrums.
Anordnung (135) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Taktfehlers aus der mittleren Phase des Kreuzleistungsspektrums durch Verwendung einer numerischen Differentiation durchgeführt wird.
Digitales Empfängersystem (110) mit der Anordnung (135) nach Anspruch 1.
Verfahren zum Ermitteln einer Schätzung eines Taktfehlers in einem digitalen Signalempfänger (110), dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: – das Extrahieren (410) erster Daten y₁ um eine erste Trainingsequenz herum, empfangen zu einem ersten Zeitpunkt t₁, – das Abtasten (420) der ersten Daten y₁ mit einer Rate T₂, die einer Sendertaktperiode T nahezu entspricht, – das Verwenden (430) der Rate T₂ zum Berechnen eines ungefähren Zeitpunktes t₂, zu dem eine zweite Trainingsequenz empfangen wird, – das Extrahieren (440) zweiter Daten y₂ um eine zweite Trainingsequenz herum, empfangen zu einem zweiten Zeitpunkt t₂, – das Berechnen (470) eines komplexen Kreuzleistungsspektrums, und – das Berechnen (480) des Taktfehlers aus einer mittleren Phase des komplexen Kreuzleistungsspektrums.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des komplexen Kreuzleistungsspektrums durchgeführt wird durch: – Umwandlung (450) einer ersten Zeitdomänendarstellung der ersten Daten y₁ in eine erste Frequenzdomänendarstellung Y₁, – Umwandlung (460) einer zweiten Zeitdomänendarstellung der zweiten Daten y₂ in eine zweite Frequenzdomänendarstellung Y₂, und – Multiplikation der ersten Frequenzdomänendarstellung Y₁ durch eine komplexe Paarung der zweiten Frequenzdomänendarstellung Y₂.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des komplexen Kreuzleistungsspektrums durchgeführt wird durch: – Berechnung einer Kreuzkorrelation der ersten Zeitdomänendarstellung der ersten Daten y₁ und der zweiten Zeitdomänendarstellung der zweiten Daten y₂, und – Umwandlung der Kreuzkorrelation in eine Frequenzdomänendarstellung.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Taktfehlers aus der mittleren Phase des Kreuzleistungsspektrums dadurch durchgeführt wird, dass ein Mittelwert einer Phase jedes Frequenzbins einer N-Punkt FFT gefunden wird, verwendet zum Berechnen des komplexen Kreuzleistungsspektrums.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Taktfehlers aus der mittleren Phase des Kreuzleistungsspektrums durch Verwendung einer numerischen Differentiation durchgeführt wird.
Von einem Computer durchführbare Verfahrensschritte, gespeichert auf einem vom Computer auslesbaren Medium (320), zum Ermitteln einer Schätzung eines Taktfehlers in einem digitalen Signalempfänger (110), dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Computer durchführbaren Verfahrensschritte die nachfolgenden Schritte umfassen: – das Extrahieren (410) erster Daten y₁ um eine erste Trainingsequenz herum, empfangen zu einem ersten Zeitpunkt t₁, – das Abtasten (420) der ersten Daten y₁ mit einer Rate T₂, die einer Sendertaktperiode T nahezu entspricht, – das Verwenden (430) der Rate T₂ zum Berechnen eines ungefähren Zeitpunktes t₂, zu dem eine zweite Trainingsequenz empfangen wird, – das Extrahieren (440) zweiter Daten y₂ um eine zweite Trainingsequenz herum, empfangen zu einem zweiten Zeitpunkt t₂, – das Berechnen (470) eines komplexen Kreuzleistungsspektrums, und – das Berechnen (480) des Taktfehlers aus einer mittleren Phase des komplexen Kreuzleistungsspektrums.
Die vom Computer durchführbare Verfahrensschritte nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des komplexen Kreuzleistungsspektrums durchgeführt wird durch: – Umwandlung (450) einer ersten Zeitdomänendarstellung der ersten Daten y₁ in eine erste Frequenzdomänendarstellung Y₁, – Umwandlung (460) einer zweiten Zeitdomänendarstellung der zweiten Daten y₂ in eine zweite Frequenzdomänendarstellung Y₂, und – Multiplikation der ersten Frequenzdomänendarstellung Y₁ durch eine komplexe Paarung der zweiten Frequenzdomänendarstellung Y₂.
Vom Computer durchführbare Verfahrensschritte nach Anspruch Fernsehsignalverarbeitungsanordnung (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des komplexen Kreuzleistungsspektrums durchgeführt wird durch: – Berechnung einer Kreuzkorrelation der ersten Zeitdomänendarstellung der ersten Daten y₁ und der zweiten Zeitdomänendarstellung der zweiten Daten y₂, und – Umwandlung der Kreuzkorrelation in eine Frequenzdomänendarstellung.
Vom Computer durchführbare Verfahrensschritte nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Taktfehlers aus der mittleren Phase des Kreuzleistungsspektrums dadurch durchgeführt wird, dass ein Mittelwert einer Phase jedes Frequenzbins einer N-Punkt FFT gefunden wird, verwendet zum Berechnen des komplexen Kreuzleistungsspektrums.
Vom Computer durchführbare Verfahrensschritte nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Taktfehlers aus der mittleren Phase des Kreuzleistungsspektrums durch Verwendung einer numerischen Differentiation durchgeführt wird.