DE69105298T2 - Verfahren zur Fadingverminderung eines Viterbi-Empfängers mit zumindestens zwei Antennen. - Google Patents

Verfahren zur Fadingverminderung eines Viterbi-Empfängers mit zumindestens zwei Antennen.

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Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung des Fadingeinflusses auf einen Viterbi-Empfänger mit mindestens zwei Antennen, wobei der Empfänger Funksignale über einen Kanal empfängt, der Störungen unterworfen ist und das Verfahren die Schritte aufweist:
  • - Empfangen des Signals an den Antennen die wechselseitig beabstandet sind,
  • - Abtasten der von den Antennen empfangenen Signale in empfangene Antennensignale,
  • - Bilden einer Kanalabschätzung, einer Abschätzung Kanalübertragungsfunktion, und
  • - Verarbeiten des Signals im Entzerrer des Viterbi-Empfängers in nach dem Viterbi-Algorithmus, wobei Symbole für die Zustandsübergänge des Viterbi-Algorithmus angenommen werden.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein allgemeines Problem, das bei der Funkübertragung von Signalen auftritt, besteht darin, daß Signale als Ergebnis einer Interferenz, dem Fading ausgelöscht werden. Dieses Problem ist bei mobilen Funkübertragungen offensichtlich, bei welchen sich ein mobiler Empfänger in einem Interferenzfeld mit häufig wiederkehrendem Fading bewegt. Ein bekanntes Verfahren zum Reduzieren des Fadingeinflusses ist das Verwenden eines Empfängers, welcher zwei oder mehr wechselseitig beabstandete Antennen aufweist, wie beispielsweise der in Electronics Letters, 20. Juli 1989, Vol. 25, No. 15, L.B. Lopes: Combined Space/Time Diversitiy Technique for Narrowband TDMA Mobile Radio Systems beschriebene. Ein übertragenes digitales Funksignal wird von einer ersten Antenne empfangen und zeitlich um ein geeignet gewähltes Zeitintervall verzögert. Das Funksignal wird ebenfalls von einer zweiten Antenne empfangen, deren Signal auf das verzögerte Signal addiert wird, und das summierte Signal wird in einem Entzerrer, welcher ein Viterbi-Entzerrer sein kann, verarbeitet. Der Artikel offenbart daß der Bitfehleranteil mit der Länge des Verzögerungsintervals kleiner wird. Ein alternatives Verfahren ist eines, welches Empfänger verwendet, die mit mehreren Antennen ausgerüstet sind, wie es in Mobile Communications Design Fundamentals von William C.Y. Lee, Howard W. Sams & Co, Indiana, USA beschrieben ist. Im Kapitel 3.5.1 dieses Buches sind verschiedene Beispiele dargestellt, wie Signale von zwei Empfängerverstärkern mit getrennten Antennen addiert werden können, um dem Fading entgegen zu wirken. Im Falle digitaler Signalübertragung ergibt diese Addition die Schwierigkeit, daß eine phasenrichtige Addition der Signale erforderlich ist. Die von den individuellen Antennen empfangenen Signale können in Gegenphase sein und einander auch dann auslöschen, wenn die von den Antennen empfangen Signale eine ausreichend hohe Stärke aufweisen. Demzufolge ist es erforderlich die Signale in der Phase zu synchronisieren, was insbesondere bei einen Kanal mit schnellem Fading, welcher Rauschstörungen unterworfen ist, schwierig zu erreichen ist. Eine langsame, variable Phasensynchronisation wird vorteilhaft im Falle solcher Rauschstörungen eingesetzt, während das schnelle Fading eine schnelle variable Phasensynchronisation erfordert.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorstehend erwähnten Probleme bei der Verarbeitung von Signalen in einem Empfänger, welche von wechselseitig beabstandeten Antennen empfangen werden, um den Fadingdeffekt zu reduzieren, wird erfindungsgemäß in der nachstehenden Weise gelöst. Es wird für jede Antenne eine Übertragungsfunktion für den sich bis zur Antenne erstreckenden Kanal abgeschätzt. Für jeden Zustandsübergang zwischen einem alten und einem neuen Zustand in dem Viterbi-Algorithmus wird mit Hilfe der jeweiligen Kanalabschätzungen ein teilmetrischer Wert für jedes Antennensignal berechnet. Die teilmetrischen Werte für individuelle Antennensignale werden wechselseitig gewichtet und dazu verwendet, die metrischen Werte an dem Übergang zwischen dem alten und dem neuen Zustand zu berechnen.
  • Die Erfindung wird durch die Merkmale der beigefügten Patentansprüche gekennzeichnet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ein beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf die Beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Funkübertragungssystems, das einen Sender, einen Empfänger und einen dazwischen liegenden gestörten Kanal aufweist;
  • Fig. 2 eine Darstellung von Zeitschlitzen für ein Zeitmultiplexübertragungssystem und eine Zeitschlitzsignalfolge;
  • Fig. 3 ein Diagramm, welches die individuellen Werte eines übertragenen Symbols darstellt;
  • Fig. 4 eine Darstellung eines mobilen Empfängers, welcher sich in ein Signalinterferenzmuster zwischen zwei Gebäuden hineinbewegt;
  • Fig. 5 ein Blockschaltbild, welches einen Empfänger darstellt, welcher Signale nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet; und
  • Fig. 6 ein Blockschaltbild, welches Teile des Empfängers in Fig. 5 mit mehr Details darstellt.
  • BESTE AUSFÜHRUNGSMÖGLICHKEIT DER ERFINDUNG
  • Ein Funkübertragungssystem für eine Zeitmultiplex-Funkkommunikation ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Ein Sender weist eine Einheit 1 auf, welche ein Informationsträgersignal empfängt und entsprechende digitale Symbole erzeugt. Diese Symbole werden einer Digital/Analog-Wandlung und einer Modulation unterworfen und werden als ein analoges Signal Y von einer Einheit 2 nach bekannten Techniken übertragen. Das Signal Y wird von einem Empfänger mit Empfangseinheiten 3, deren Anzahl R ist, aufgefangen. Jede Emfangseinheit weist eine Antenne 4 auf und ist jeweils mit einem Analog/Digital-Wandler 5 verbunden. Diese Wandler wandeln die von den Antennen 4 empfangenen Signale in empfangene Antennensignale Sin,r(k) um. Das Bezugszeichen kennzeichnet einen Abtastzeitpunkt mit der Nummer , während das Bezugszeichen anzeigt, daß das Signal von der r-ten Antenne (1 ≤ r ≤ R) kommt. Die empfangenen Antennensignale sin,r(k) werden an eine Einheit 6 angelegt, in welcher die Signale nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet werden. Die Einheit 6 enthält eine Einrichtung, welche den Viterbi-Algorithmus ausführt und eine Einrichtungen zum Abschätzen einer Kanalübertragungsfunktion. Die Einheit erzeugt Schätzsymbole welche den digitalen Symbolen entsprechen. Das übertragene Signal Y wird während der Übertragung unter anderem durch Fading gestört, dessen Störeinfluß auf die geschätzten Symbole im Empfänger reduziert wird. Dieses wird durch die Tatsache erreicht, daß die Anzahl der Antennen 4 mindestens 2, R ≥ 2 ist, und daß die empfangenen Antennensignale sin,r(k) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Einheit 6 verarbeitet werden, wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird.
  • Wie vorstehend erwähnt, ist das erfindungsgemäße Übertragungssystem ein Zeitmultiplexsystem mit getrennten Zeitschlitzen 1-N gemäß Fig. 2, in welcher die Zeit darstellt. Jeder Zeitschlitz kann eine Signalfolge SS übertragen, welche eine Synchronisationsfolge SO und eine Datenfolge DO mit der zu übertragenden Information einschließt. Die Signalfolge SS enthält binäre Informationen, obwohl die vorgenannten Symbole beispielsweise mittels einer Quadraturmodulation gemäß Darstellung in Fig. 3 moduliert werden können. In einer komplexen numerischen Ebene mit den mit I und Q bezeichneten Achsen sind von den vier möglichen Werten des modulierten Symbols jeweils einer pro Quadrant mit den Binärzahlen 00, 01, 10 oder 11 bezeichnet. Die Zur Übertragung eines derart modulierten Symbols in Anspruch genommene Zeit wird mit TS bezeichnet.
  • Das vorstehende Signalfading, das sogenannte Rayleigh-Fading tritt in der nachstehenden Weise auf. Die Fig. 4 stellt zwei Gebäude 7 und 8 dar, welche das Übertragene Signal Y reflektieren. Die übertragenen Signale interferieren zwischen den Gebäuden miteinander, und als Ergebnis einer Phasenverschiebung kann ein regelmäßiges Interferenzmuster mit abwechselnden Bäuchen und Knoten der Signalstärke entstehen. Ein mobiler Empfänger 9, welcher sich durch das Interferenzmuster bewegt, passiert wiederholt die Knoten, bei denen die Signalstärke sehr niedrig ist. Eine ausführlichere Beschreibung des Signalfading ist in der vorgenannten Quelle: Mobile Communications Design Fundamentals von William C.Y. Lee, Kapitel 1 gegeben.
  • Die vorgenannte Einheit 6 ist mit mehr Details in Fig. 5 dargestellt, wobei zur Vereinfachung die Anzahl R der Antennen auf drei beschränkt ist. Die Figur zeigt auch einen Block 10, welcher eine Übertragungsfunktion für den tatsächlichen Übertragungskanal symbolisiert, welche das digitale Signal beeinflußt. Die Übertragungsfunktion schließt die Sendeeinheiten 2, die Funkübertragung des Signals Y, die Empfangseinheiten 3 und die Analog/Digital-Wandler 5 mit ein. Die Einheit 6 umfaßt einen Symbolfolgengenerator 9, Kanalabschätzungsschaltungen 17 für die jeweiligen Antennen 4, eine metrische Berechnungseinheit 11 und einen Analysator 12, welcher die Signalverarbeitung nach dem Viterbi-Algorithmus durchführt. In jeder Kanalabschätzschaltung 17 wird eine Teil-Kanalabschätzung hest, r berechnet. Jede Teil-Kanalabschätzung wird in einer bekannten Art berechnet, indem die von dem Symbolfolgengenerator 9 erzeugte Synchronisationsfolge SO mit den empfangenen Antennensignalen sin,r(k) bezüglich der übertragenen Synchronisationsfrequenz SO verglichen wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, daß die Teil-Kanalabschätzungen hest,r jeweils einmal, bei jeder Signalfolge SS mit Hilfe der Synchronisationsfolge SO berechnet werden und während der Datenfolge DO konstant gehalten werden. Es ist jedoch möglich, die Teil-Kanalabschätzungen hest,r in bekannter Art anzupassen, wie beispielsweise in der in IEEE Transactions on Information Theory, Januar 1973, F.R. Magee Jr. and J.G. Proakis: Adaptive Maximum-Likelihood Sequence Estimation for Digital Signaling in the Presence of Intersymbol Interference beschriebenen Art.
  • Wenn die Datenfolge Do übertragen wird, werden die empfangenen Antennensignale sin,r(k) für die zu übertragende Information erhalten. Diese Signale werden nach dem vorgenannten Viterbi-Algorithmus analysiert, welcher eine Anzahl von M = VD-1 Zuständen aufweist. V bezeichnet eine Anzahl von Werten, welche ein Symbol annehmen kann, wobei der Wert V gleich 4 in Falle der Fig. 3 dargestellten Symbole ist. D bezeichnet die Zeitdispersion für den Übertragungskanal in der Anzahl von Symbolzeiten TS, und in der dargestellten Ausführungsform wird angenommen, daß D gleich 2 ist. Das bedeutet der Viterbi-Algorithmus M = 4 Zustände aufweisen muß, in welchen er die erwünschte Verarbeitung der empfangen Antennensignale sin,r(k) ausführen kann. Eine detailliertere Beschreibung des Viterbi- Algorithmus ist zum Beispiel in Proceeding of the IEEE, Vol. 61, No. 3, März 1973, G.D. Forney, Jr.: The Viterbi-Algorithm gegeben. Der Symbolfolgengenerator 9 nimmt Symbolfolgen S(ΔTij) für einen Zustandsübergang ΔTij in dem Viterbi-Algorithmus, von einem alten Zustand Tj zu einem neuen Zustand Ti an. Mit Hilfe der Kanalabschätzungen hest,r werden angenommene Eingangssignale gemäß einer Beziehung
  • sa,r(ΔTij,k) = hest,r * S(ΔTij)
  • berechnet, wobei das Symbol * eine Faltung kennzeichnet. Die teilmetrischen Werte mr(ΔTij,k) für eine zukünftige Auswahl des Zustandsübergangs ΔTij wird mit Hilfe der angenommenen Eingangssignale sa,r(ΔTij,k) und der empfangenen Antennensignale sin,r(k) berechnet, wie es mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben wird.
  • Diese Figur stellt den Viterbi-Analysator 12 und die metrische Berechnungsschaltung 11 dar. Diese Einheit enthält für jede Teil- Kanalabschätzung hest,r eine arithmetische Schaltung 13 und eine Koeffizientenschaltung 14. Die arithmetischen Schaltungen 13 führen die Berechnung der teilmetrischen Werte nach einer Beziehung
  • mr(ΔTij,k) = sin,r(k) - sa,r(ΔTij,k) ²
  • aus. Ähnlich zu dem Vorhergegangenen bezeichnet das Bezugszeichen eine angegebene Abtastzeit, der Index bezeichnet eine der Antennen und ΔTij den Zustandsübergang nach dem Viterbi-Algorithmus. In dem Fall der dargestellten Ausführungsform weist dieser Algorithmus M = 4 durch die Binärzahlen 00, 01, 10, 11 bezeichnete Zustände mit vier Übergängen zu jedem neuen Zustand auf, wie es der Figur dargestellt ist, und somit eine Gesamtsumme von 16 Zustandsübergängen. Für diese Zustandsübergänge wird ein metrischer Wert gemäß einer Beziehung
  • M(ΔTij,k) = M(Tj,k-1) + r mr(ΔTij,k)
  • berechnet. Kr bezeichnet in diesem Falle die Koeffizienten in den Schaltungen 14, und die gewichtete Summenbildung wird in einem Summierer 15 für alle R Antennen ausgeführt. Nach dem Viterbi-Algorithmus bezieht sich die Größe M(ΔTj,k-1) auf einen ausgewählten metrischen Wert für den alten Zustand Tj zu einem Abtastzeitpunkt k-1, eine Symbolzeit TS vor dem angegebenen Abtastzeitpunkt . Der alte metrische Wert wird mit der gewichteten Summe der metrischen Teilwerte in einem Summierer 16 erhöht. Dem Viterbi-Algorithmus entsprechend wird der kleinste metrische Wert an dem Übergang zu einem neuen Zustand Ti nach der Beziehung
  • M(tj,k) = M n {M(ΔTij,k)}
  • ausgewählt. Der metrische Wert M(Tj,k) ist somit der am angegebenen Abtastzeitpunkt für den neuen Zustand ausgewählte Wert. Der metrische Wert M(Tj,k) wird nach dem Viterbi-Algorithmus dazu verwendet, die geschätzten Symbole zu bestimmen. Der metrische Wert wird auch für die fortgesetzte Berechnung der metrischen Werte an den nachfolgenden Abtastzeitpunkten k + 1 gespeichert.
  • Die Koeffizienten Kr für die Wichtung der metrischen Teilwerte können auf verschiedene Arten gewählt werden. Gemäß einer einfachen Alternative sind alle Koeffizienten konstant und untereinander gleich, und in dem Falle des in Fig. 6 dargestellten Beispiels, bei dem R gleich 3 ist, ist Kr gleich P/3, wobei P eine gewählte Konstante ist. Dieses Verfahren impliziert, daß das Funksignal von einer der Antennen 4 mit voll ausgeprägtem Fading dieselbe Wichtung bei der metrischen Berechnung erfährt, wie das Signal an einer der Antennen, an der die Signalstärke gut ist. Gemäß einer komplizierteren Alternative wird die Stärke des empfangenen Antennensignals nach sin,r(k) von einer Steuerschaltung 18 gemessen und die Werte der Koeffizienten Kr werden von der Steuerschaltung in Abhängigkeit von dieser Signalstärke angenommen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist Kr proportional zu der Energie in den jeweils empfangenen Antennensignalen Kr = c = sin,r(k) ². In diesem Falle bezeichnet eine Konstante, welche so gewählt ist, daß die Summe der Koeffizienten Σ Kr in Übereinstimmung dem Vorstehenden gleich P ist.
  • Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine Funkkommunikation in einem Zeitmultiplexsystem beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch auf andere Systeme angewendet werden, wie zum Beispiel auf eine Funkkommunikation in Frequenzmultiplexsystem. In solchen Systemen reicht es aus, eine Synchronisationsfolge zu übertragen, die zur Bildung einer einmaligen Kanalabschätzung zu Beginn einer Nachricht genutzt wird. Die Kanalabschätzung wird danach während der gesamten Nachricht mit Hilfe des während dieser Zeitperiode ununterbrochen übertragenen Signals angepaßt. Falls nur ein beschränkter Geschwindigkeitsbedarf für das System besteht, kann auch eine Kanalabschätzung bei vollständiger Abwesenheit einer Synchronisationsfolge, beispielsweise in der in IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-28, No. 11, November 1980, D.N. Godard: "Self Recovering Equalization and Carrier Tracking in Two-Dimensional Data Communication System" beschriebenen Art gebildet werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Verminderung des Fadingeinflusses auf einen Viterbi- Empfänger mit mindestens zwei Antennen, wobei der Empfänger Funksignale über einen Kanal empfängt, der Störungen unterworfen ist und das Verfahren die Schritte aufweist:
- Empfangen des Signals an den Antennen die wechselseitig beabstandet sind,
- Abtasten von den Antennen empfangener Signale in empfangene Antennensignale,
- Bilden einer Kanalabschätzung, einer Abschätzung der Kanalübertragungsfunktion, und
Verarbeiten des Signals in dem Entzerrer des Viterbi-Empfängers nach dem Viterbi-Algorithmus, wobei Symbole für die Zustandsübergänge des Viterbi-Algorithmus angenommen werden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalabschätzung mindestens zwei (R) zu individuellen Antennen (4) zugehörige Teil-Kanalabschätzungen (hest,r) einschließt, wobei das Verfahren zu einem angegebenen Abtastzeitpunkt (k) die weiteren Schritte einschließt:
- Bilden angenommener Eingangssignale (sa,r(ΔTij,k)) aus den angenommen Symbolen (s(ΔTij)) mit Hilfe der Teil-Kanalabschätzungen (hest,r), wobei ein angenommenes Eingangssignal (sa,r(ΔTij,k)) für die individuellen Teil- Kanalabschätzungen (hest,r) für jeden Zustandsübergang (ΔTij) des Viterbi- Algorithmus gebildet wird,
- Bilden teilmetrischer Werte (mr(ΔTij,k)) für die individuellen Kanalabschätzungen (hest,r) in Abhängigkeit von dem empfangenen Antennensignal sin,r(k), welches zu der Teil-Kanalabschätzung und den entsprechenden angenommenen Eingangssignalen (sa,r(ΔTij,k)) gehört,
- Bilden eines metrischen Wertes (M((ΔTij,k)) für einen angegebenen Zustandsübergang (ΔTij) zwischen einem alten (Tj) und einem neuen (Ti) Zustand im Viterbi-Algorithmus, wie beispielsweise eines metrischen Wertes (M((ΔTj,k-1)), der gemäß dem Viterbi-Algorithmus für den alten Zustand (Tj) zu einem Abtastzeitpunkt (k-1), der dem angegebenen Abtastzeitpunkt (k) vorhergeht, gewählt wurde, der mit einer gewichteten (Kr) Summe der teilmetrischen Werte (mr(ΔTij,k)), welche zu den individuellen Teil- Kanalabschätzungen (hest,r) gehören, vergrößert ist, und
- Bilden metrischer Werte, welche dem metrischen Wert (M(ΔTj,k)) für den angegebenen Zustandsübergang (ΔTij) entsprechen, für alle Zustandsübergänge (ΔTij) auf den neuen Zustand (Ti) und Auswählen des kleinsten Wertes (M(Tj,k)) dieser metrischen Werte (M(ΔTj,k)) am Übergang zu dem neuen Zustand (Ti) nach dem Viterbi-Algorithmus.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die individuellen teilmetrischen Werte (mr(ΔTij,k)) in Abhängigkeit von einem absoluten Wert der Differenz zwischen dem empfangenen Antennensignal (sin,r(k)) und den entsprechenden angenommenen Eingangssignalen (sa,r(ΔTij,k)) gebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Koeffizienten (Kr) für die Wichtung der teilmetrischen Werte (mr(ΔTij,k)) wechselseitig dieselben Werte (Kr = P/R) aufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten (Kr) für die Wichtung der teilmetrischen Werte (mr(ΔTij,k)) in Abhängigkeit von der Amplitude des entsprechenden empfangenen Antennensignals sin,r(k) gewählt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten (Kr) für die Wichtung der teilmetrischen Werte (mr(ΔTij,k)) proportional (c) zu der Energie des empfangenen Antennensignals sin,r(k) sind.
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