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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
in einem Kommunikationsempfänger
zum Kompensieren der Anwesenheit einer zeitveränderlichen Mehrwegpfadkomponente in
dem empfangenen Signal und insbesondere auf ein System zur Detektion
der Charakteristiken der zeitveränderlichen
Mehrwegpfadkomponente.
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In
erdgebundenen Rundfunkkommunikationssystemen kommen Signale von
einer Sendeantenne häufig
nicht nur über
einen direkten Pfad von der Sendeantenne zu der Empfangsantenne,
sondern auch über
einen oder mehrere weitere Pfade wegen Reflexionen an Objekten in
dem Rundfunkbereich bei einer Empfangsantenne an. Signale, die sich
aus solchen Reflexionen ergeben, werden Mehrwegpfadsignale genannt.
Solche Objekte können
wie etwa Gebäude
einen festen Ort haben, wobei sie ein festes Mehrwegpfadsignal erzeugen.
Solche Objekte können
sich wie etwa Flugzeuge ebenfalls bewegen. Bewegte Objekte werfen
mehr Probleme auf, da sich der Betrag und die Phase der Mehrwegpfad-Signalkomponenten
von solchen Objekten, gelegentlich verhältnismäßig schnell, mit der Zeit ändern.
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Wenn
in einem Empfangssignal eine oder mehrere Mehrwegpfadkomponenten
vorhanden sind, ist der von dem Empfänger empfangene und von dem
Demodulator verfolgte Träger
ein zusammengesetztes Signal, das aus der Hauptsignalkomponente,
die sich auf dem direkten Pfad ausgebreitet hat, kombiniert mit
den reflektierten Mehrwegpfad-Signalkomponenten gebildet ist. Allerdings
haben die Mehrwegpfadkomponenten üblicherweise andere Phasen
und Beträge
als die Hauptpfadkomponente, wobei die Phasen- und Betragsdifferenz
für bewegte Objekte
z. B. wegen der Wirkung der Doppler-Verschiebung zeitlich veränderlich
ist. Diese Phasen- und Betragsdifferenzen können sich nachteilig auf die
in dem Empfänger
ausgeführte
Signalverarbeitung auswirken. Einige Empfängersysteme enthalten eine
Schaltungsanordnung zum Kompensieren der in einer Mehrwegpfadkomponente
enthaltenen Empfangssignale.
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Genauer
enthält
jeder Empfänger
eine Kette einer Verarbeitungsschaltungsanordnung zum Demodulieren
des auf dem Träger
modulierten Signals. Jede der Verarbeitungsschaltungen in der Demodulatorkette
kann eine adaptive Schaltungsanordnung enthalten, die so gesteuert
werden kann, dass sie die Anwesenheit von Mehrwegpfadkomponenten
in dem Empfangssignal kompensiert. Zum Beispiel kann die Demodulatorkette
in einem Empfänger
des hoch aufgelösten
Fernsehens (HDTV-Empfänger)
die bekannte Anordnung einer Trägerverfolgungsschleife (CTL),
einer Symbolzeitgebungs-Wiedergewinnungsschleife (STL), eines Entzerrers
usw. enthalten, die jeweils eine adaptive Schaltungsanordnung (Trägerverfolgungsbandbreite,
Symbolzeitgebungs-Wiedergewinnungsbandbreite, Entzerrerbandbreite
usw.) enthalten, die so gesteuert wird, dass sie die Anwesenheit
von Mehrwegpfadkomponenten kompensiert. Damit die adaptive Schaltungsanordnung
richtig arbeitet, muss sie ein Steuersignal empfangen, das die Charakteristiken
der empfangenen Mehrwegpfadkomponenten genau und rechtzeitig identifiziert.
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Mehrwegpfadkompensationssysteme
des Standes der Technik leiteten das Steuersignal dadurch ab, dass
sie die Bitfehlerrate des Ausgangssignals der Demodulatorkette überwachten,
während die
adaptive Schaltungsanordnung an verschiedene Einstellungen angepasst
wurde. Daraufhin wurde diejenige Einstellung, die zu der minimalen
Bitfehlerrate führte,
verwendet, um den Wert des Steuersignals für die Demodulatorkette einzustellen.
Allerdings ist dieses Verfahren langsam und nicht leicht an schnell
veränderliche
Mehrwegpfadkomponenten anpassbar. Außerdem ist es möglich, dass
die Ausgabe der Demodulatorkette eine verhältnismäßig hohe Bitfehlerrate erfährt, während die
Einstellungen für
die adaptive Schaltungsanordnung in der Demodulatorkette geändert werden,
um die optimale Einstellung zu ermitteln, was die nachfolgende Signalverarbeitung
verschlechtert und vom Nutzer wahrgenommen wird. Zum Beispiel kann
dieses Verfahren in einem HDTV-Empfänger Artefakte in das durch
die Videokomponente des Empfangssignals dargestellte Bild und/oder
Rauschen in den durch die Audiokomponente des Empfangssignals dargestellten
Klang einführen,
was vom Nutzer wahrgenommen wird.
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Es
ist ein System zum Ableiten eines Steuersignals für die adaptive
Schaltungsanordnung in der Demodulatorkette erwünscht, das schnell arbeitet und
nicht zu einer wahrgenommenen Verschlechterung des Empfangssignals
führt.
Ein System dieser Art ist vom Erfinder im US-Patent 6.298.100 vorgeschlagen
worden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung
dieses Systems.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung enthält ein System
zum Empfangen eines zusammengesetzten Signals, das eine Hauptkomponente
und eine Mehrwegpfadkomponente enthält, eine Demodulatorkette mit
einer adaptiven Schaltungsanordnung, die in Reaktion auf ein Steuersignal
so steuerbar ist, dass sie die Mehrwegpfadkomponente kompensiert.
In diesem System umfasst ein Steuersignalgenerator eine Phasenfehler-Schätzeinrichtung,
um ein Phasenfehlersignal zu erzeugen, das einen Schätzwert des
einem zusammengesetzten Signal zugeordneten Phasenfehlers repräsentiert.
Eine Steuereinheit erzeugt in Reaktion auf das Phasenfehlersignal
das Steuersignal. Die Steuereinheit umfasst eine Frequenzanalyseschaltung,
um in Reaktion auf das Phasenfehlersignal Frequenzkomponenten des
Phasenfehlersignals zu bestimmen, eine Analyseschaltung, um Frequenzkomponenten
des Phasenfehlersignals mit Schwellenwerten zu vergleichen, und
eine Steuerschaltung, um in Reaktion auf den Vergleich das Steuersignal
zu erzeugen.
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Ein
System gemäß der vorliegenden
Erfindung kompensiert Mehrwegpfadsignale durch Erzeugen eines Steuersignals
für die
adaptive Schaltungsanordnung in der Demodulatorkette aus einem Schätzwert der
Phasendifferenz zwischen der Zusammensetzung ohne die zeitaufwändige Aufgabe des
wiederholten Vornehmens von Anpassungen in der adaptiven Schaltungsanordnung
und des Messens der Bitrate, bis die Anpassungen optimiert worden
sind, wie im System des Standes der Technik.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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In
den Zeichnung ist:
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1 ein
Blockschaltplan eines Abschnitts eines Empfängers, der einen Steuersignalgenerator in Übereinstimmung
mit Prinzipien der vorliegenden Erfindung enthält;
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2 ein
ausführlicherer
Blockschaltplan einer Phasenfehler-Schätzeinrichtung, die in dem Steuersignalgenerator
aus 1 verwendet werden kann; und
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3 ein
ausführlicherer
Blockschaltplan einer Steuereinheit, die in dem Steuersignalgenerator aus 1 verwendet
werden kann.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 ist
ein Blockschaltplan eines Abschnitts eines Empfängers, der einen Steuersignalgenerator
in Übereinstimmung
mit Prinzipien der vorliegenden Erfindung enthält. In 1 sind nur
jene Elemente veranschaulicht, die für das Verständnis der Konstruktion und
des Betriebs der Erfindung notwendig sind. Der Fachmann auf dem
Gebiet versteht, welche weiteren Elemente notwendig sind und wie diese
Elemente zu entwerfen, konstruieren und mit den veranschaulichten
zu verbinden sind, um einen vollständig funktionsfähigen Empfänger herzustellen.
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In 1 ist
ein Eingangsanschluss 5 mit einem Eingangsteil (nicht gezeigt)
eines Empfängers gekoppelt.
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Dieser
Eingangsteil kann einen RF-Verstärker,
einen Detektor und einen ZF-Verstärker mit bekanntem Entwurf
enthalten. Der Eingangsanschluss 5 ist mit der Reihenschaltung
eines Analog/Digital-Umsetzers (ADC) 202, einer Trägerverfolgungsschleife
(CTL) 204, einer Symbolzeitgebungsschleife (STL) 206 und
eines Entzerrers 210 gekoppelt. Ein Ausgangsanschluss des
Entzerrers 210 ist mit einem Ausgangsanschluss 15 gekoppelt.
Der Ausgangsanschluss 15 ist mit einem Hauptteil (nicht
gezeigt) des Empfängers
gekoppelt. Dieser Hauptteil kann eine Phasenverfolgungsschleife,
einen Trellis-Decodierer, einen Deinterleaver, einen Reed-Solomon-Decodierer,
einen Descrambler und Audio- und Videoprozessoren mit bekanntem
Entwurf enthalten.
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Außerdem ist
der Ausgangsanschluss der STL 206 mit einem Eingangsanschluss
eines Synchronisationssignaldetektors 208 und mit einem
Signaleingangsanschluss einer Phasenfehler-Schätzeinrichtung 214 gekoppelt.
Ein Ausgangsanschluss des Synchronisationsdetektors 208 erzeugt
Synchronisationssignale und ist mit einem Synchronisationssignal-Eingangsanschluss
der Phasenfehler-Schätzeinrichtung 214 und
mit einem Ausgangsanschluss 25 gekoppelt. Der Ausgangsanschluss 25 ist
mit den weiteren Elementen in dem Empfänger einschließlich den
in 1 veranschaulichten (nicht gezeigt, um die Figur
zu vereinfachen) gekoppelt. Ein Ausgangsanschluss der Phasenfehler-Schätzeinrichtung 214 ist mit
einem Eingangsanschluss einer Steuereinheit 220 gekoppelt.
Die jeweiligen Ausgangsanschlüsse der
Steuereinheit 220 sind mit entsprechenden Steuersignalanschlüssen der
CTL 204, der STL 206 und des Entzerrers 210 gekoppelt.
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Im
Betrieb arbeiten der ADC 202, die CTL 204, die
STL 206, der Entzerrer 210 und der Synchronisationsdetektor 208 mit
dem Empfängereingangsteil
und -hauptteil (nicht gezeigt) auf bekannte Weise zusammen, um ein
moduliertes Signal zu empfangen und das Modulationssignal auszukoppeln,
zu verarbeiten und zu nutzen. Zum Beispiel empfängt der Empfänger in
einem HDTV-Empfänger einen
durch ein Fernsehsignal modulierten Träger und zeigt ein durch die
Videokomponente des Fernsehsignals repräsentiertes Bild an und erzeugt
einen durch die Audiokomponente des Fernsehsignals repräsentierten
Klang, wobei dies alles auf bekannte Weise geschieht. Allerdings
enthält
der empfangene Träger
wie oben beschrieben eine Hauptkomponente, die direkt von der Sendeantenne
zu der Empfangsantenne übertragen
wird, und möglicherweise eine
oder mehrere Mehrwegpfadkomponenten, die an nahe gelegenen Objekten
wie etwa Gebäuden oder
Flugzeugen reflektiert werden. Die Mehrwegpfadkomponenten haben
Phasen, die sich von der Phase der Hauptkomponente unterscheiden.
Dies führt
zu einem empfangenen zusammengesetzten Signal mit einer Trägerkomponente
mit einer Phase, die sich ebenfalls von der Phase der Trägerkomponente
des Hauptsignals unterscheidet.
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Die
STL 206 erzeugt einen Symbolstrom, der das gesendete digitale
Fernsehsignal repräsentiert. Der
Symbolstrom enthält
aufeinander folgende Vollbilder, wobei jedes Vollbild zwei Halbbilder
enthält. Jedes
Halbbild enthält
wiederum 313 Segmente, wobei jedes Segment 832 Symbole enthält. Jedes
Segment beginnt mit einer Vier-Symbol-Segmentsynchronisationssequenz mit einem
bekannten festen Wert, auf die 828 weitere Symbole folgen. Der Synchronisationsdetektor 208 empfängt den
Symbolstrom und erzeugt Synchronisationssignale, die ein Segmentsynchronisations-Positionssignal
enthalten, das aktiv ist, wenn die Segmentsynchronisations-Symbolsequenz
am Ausgang der STL 206 vorhanden ist.
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Die
Phasenfehler-Schätzeinrichtung 214 reagiert
auf den Symbolstrom von der STL 206 und auf das Segmentsynchronisations-Positionssignal
von dem Synchronisationsdetektor 208 und erzeugt auf eine
im Folgenden ausführlicher
beschriebene Weise ein Phasenfehlersignal Φ, das einen Schätzwert des Phasenfehlers
zwischen der Trägerkomponente
des empfangenen zusammengesetzten Signals und der Trägerkomponente
der Hauptkomponente (direkten Komponente) repräsentiert. Das Phasenfehlersignal Φ liefert
eine Angabe der Charakteristiken der empfangenen Mehrwegpfadkomponente.
Die Steuereinheit 220 analysiert das Phasenfehlersignal Φ auf eine im
Folgenden ausführlicher
beschriebene Weise und erzeugt jeweilige Steuersignale, die die
adaptive Schaltungsanordnung in den Demodulatorelementen (CTL 204,
STL 206 und Entzerrer 210) konditionieren, um
die Mehrwegpfadkomponenten genau zu kompensieren.
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2 ist
ein ausführlicherer
Blockschaltplan einer Phasenfehler-Schätzeinrichtung 214,
die in dem Steuersignalgenerator aus 1 verwendet werden
kann. Die in 2 veranschaulichte Phasenfehler-Schätzeinrichtung 214 ist ähnlich der,
die im US-Patent 6.298.100, erteilt am 2. Oktober 2001 an Bouillet,
offenbart ist. In 2 ist das Symbolstromsignal
von der STL 206 (aus 1) mit jeweiligen Eingangsanschlüssen eines
ersten Korrelators 20 und eines zweiten Korrelators 30 gekoppelt.
Mit einem zweiten Eingangsanschluss des ersten Korrelators 20 ist
ein Signal S(t) gekoppelt, das den bekannten festen Wert der Segmentsynchronisationssequenz
repräsentiert.
Mit einem zweiten Eingangsanschluss des zweiten Korrelators 30 ist
ein Signal H(S(t)) gekoppelt, das die Hilbert-Transformierte des Signals
S(t) ist und ein Signal mit einer Phasenverschiebung von 90° zu der Segmentsynchronisationssequenz
S(t) repräsentiert.
Ein Ausgangsanschluss IC des ersten Korrelators 20 ist
mit einem ersten Eingangsanschluss einer Arcustangens-Berechnungsschaltung
(arctan-Berechnungsschaltung) 40 gekoppelt und ein Ausgangsanschluss
IS des zweiten Korrelators 30 ist
mit einem zweiten Eingangsanschluss der arctan-Berechnungsschaltung 40 gekoppelt.
Ein Ausgangsanschluss der arctan-Berechnungsschaltung 40 ist
mit einem Eingangsanschluss eines Zwischenspeichers 50 gekoppelt.
Ein Takteingangsanschluss des Zwischenspeichers 50 ist
so gekoppelt, dass er das Segmentsynchronisations-Positionssignal (SYNC
POS) von dem Synchronisationsdetektor 208 (aus 1)
empfängt.
Ein Ausgangsanschluss des Zwischenspeichers 50 erzeugt
das Phasenfehler-Schätzsignal Φ und ist
mit der Steuereinheit 220 (aus 1) gekoppelt.
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Im
Betrieb werden die Symbole in dem Symbolstrom in dem ersten und
in dem zweiten Korrelator 20 bzw. 30 ununterbrochen
mit den gleichphasigen Darstellungen und mit den um 90° phasenverschobenen
Darstellungen der Segmentsynchronisationssequenz S(t) und H(S(t))
korreliert. Während
der Segmentsynchronisationssequenz-Intervalle ist das Ergebnis IC von dem ersten Korrelator 20 mit
einer bekannten konstanten Proportionalitätskonstanten proportional zu
cos Φ und
ist das Ergebnis IS von dem zweiten Korrelator 30,
ebenfalls mit einer bekannten konstanten Proportionalitätskonstanten,
proportional zu sin Φ.
Somit ist das Verhältnis
IS/IC proportional
zu tan Φ.
Da die Proportionalitätskonstanten
bekannt und konstant sind, können
sie geeignet kompensiert werden. Somit ist der durch die arctan-Berechnungsschaltung 40 erzeugte
arctan dieses Verhältnisses, der
wegen der Proportionalitätskonstanten
kompensiert ist, der Phasenfehler-Schätzwert Φ. Der Zwischenspeicher 50 zwischenspeichert
den Phasenfehlerschätzwert Φ am Ende
des Segmentsynchronisations-Sequenzsignals, alles in einer aus dem
oben erwähnten
US-Patent bekannten Weise.
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3 ist
ein ausführlicherer
Blockschaltplan einer Steuereinheit 220, die in dem Steuersignalgenerator
aus 1 verwendet werden kann. In 3 ist
ein Eingangsanschluss, der das Phasenfehler-Schätzsignal Φ empfängt, mit der Reihenschaltung
eines Dezimierers 102, mit einer Schaltung 104 für schnelle
Fourier-Transformation (FFT-Schaltung) 104, mit einer Betragsberechnungsschaltung 106, mit
einer Analyseschaltung 112 und mit einer Steuerschaltung 114 in
Reihe geschaltet. Die jeweiligen Ausgangsanschlüsse der Steuerschaltung 114 sind mit
den entsprechenden Steuereingangsanschlüssen der CTL 204,
der STL 206 und des Entzerrers 210 (aus 1)
gekoppelt.
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Wie
oben beschrieben wurde, enthalten die Elemente in der Demodulatorkette
(CTL 204, STL 206 und Entzerrer 210)
eine adaptive Schaltungsanordnung, die in Reaktion auf ein Steuersignal
gesteuert wird, um die Mehrwegpfadkomponente zu kompensieren. Im
Betrieb analysiert die Steuereinheit 220 den Frequenzgehalt
des Phasenfehlersignals Φ, um
die durch dieses Signal repräsentierte
Mehrwegpfadkomponente zu charakterisieren. Der Frequenzgehalt des
Phasenfehlersignals Φ wird
durch eine Frequenzanalyseschaltung 110 bestimmt, die durch die
Kombination des Dezimierers 102, der FFT-Schaltung 104 und
der Betragsberechnungsschaltung 106 gebildet ist. Die Betragsberechnungsschaltung 106 berechnet
in dem durch die FFT-Schaltung 104 erzeugten Vektor der
Frequenzkomponenten entweder den Betrag oder das Betragsquadrat
jedes komplexen Elements. Obgleich die Frequenzanalyseschaltung
so veranschaulicht ist, dass sie eine FFT-Schaltung 104 verwendet,
versteht der Fachmann auf dem Gebiet, dass sie irgendeine Schaltungsanordnung
zum Erzeugen von Signalen, die den Betrag des Phasenfehlersignals Φ bei mehreren
jeweiligen Frequenzen in dem interessierenden Durchlassbereich repräsentieren,
verwenden kann.
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Die
Analyseschaltung 112 bestimmt, ob irgendeine Frequenzkomponente
oder irgendeine Funktion einer oder mehrerer Frequenzkomponenten einen
akzeptablen Schwellenwert für
die momentanen Einstellungen der adaptiven Schaltungsanordnung in
der Demodulatorkette (CTL 204, STL 206 und Entzerrer 210) übersteigt.
Der Fachmann auf dem Gebiet versteht, wie die Frequenzkomponenten auszuwählen sind
und wie die Funktionen der Frequenzkomponenten und die auf sie anzuwendenden Schwellenwerte
für irgendeine
momentane Einstellung der adaptiven Schaltungsanordnung in der Demodulatorkette
abzuleiten sind.
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Falls
irgendein Schwellenwert überschritten wird,
wird die adaptive Schaltungsanordnung in der Demodulatorkette so
gesteuert, dass sie diese Komponente oder diese Menge von Komponenten
in der Weise verringert, dass diese Komponente oder diese Menge
von Komponenten unter den Schwellenwert gebracht wird. Die Analyseschaltung 112 liefert
an die Steuerschaltung 114 ein Signal, das die Ergebnisse
ihrer Analyse spezifiziert. Die Steuerschaltung 114 liefert
in Reaktion an die adaptive Schaltungsanordnung in der Demodulatorkette
(CTL 204, STL 206 und Entzerrer 210)
Steuersignale, die diese Schaltungsanordnung so konditionieren,
dass die Frequenzkomponente oder die Funktion einer oder mehrerer
Frequenzkomponenten des Mehrwegpfadsignals verringert wird, so dass
der Schwellenwert nicht mehr überschritten
ist.
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Die
Steuereinheit 220 aus 1 und 3 ist
als diskrete Schaltungselemente veranschaulicht. Allerdings versteht
der Fachmann auf dem Gebiet, dass die gesamte Steuereinheit 220 oder
einige Teile davon durch eine programmierbare Steuereinheit realisiert
werden können,
die durch ein Steuerprogramm gelenkt wird.