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Die Erfindung betrifft den Empfang digitaler Daten, die mit hohem Durchsatz
insbesondere zu mobilen Stationen gesendet werden, unter Bedingungen der
Mehrfachausbreitung, dem Rayleigh-Verfahren entsprechend, und die in Gegenwart
von Störungen und von Störimpulsen Fading-Erscheinungen verursachen.
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Allgemein betrifft die Erfindung den Empfang digitaler Signale in Mehrwegkanälen,
deren Eigenschaften sich zeitlich ändern.
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Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, das COFDM (Coded
Orthogonal Frequency Division Multiplex (Multiplex orthogonaler kodierter
Frequenzen)) genannte digitale Rundfunksystem, wie in den französischen Patentanträgen
86 09622 vom 2. Juli 86 und 86 13271 vom 23. September 86 beschrieben, die
von denselben Antragstellern eingereicht wurden.
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Das COFDM-Sendesystem basiert auf der Anwendung eines Modulationsverfahrens
durch Multiplexieren der orthogonalen Trägerfrequenzen (OFDM) und einer
Vorrichtung zum Kodieren des Kanals.
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Der digitale Durchsatz eines gegebenen Programms wird über N Sendewege
verteilt, d. h. N orthogonale Trägerfrequenzen. Somit sind die Bestandteile des
Signals über den Frequenzbereich sowie im Zeitbereich verteilt. Eine
Verschachtelung nach Zeit und Frequenz der Digitalelemente ermöglicht es, die statische
Selbständigkeit der Abtastproben gegenüber dem Rayleigh-Verfahren und der
selektiven Eigenschaft des Kanals zu maximieren.
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Insbesondere verhindert diese Art der Modulation, daß zwei aufeinanderfolgende
Elemente der Datenfolge mit derselben Frequenz gesendet werden.
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Die angewandte Kodierung kann vorteilhafterweise von der gefalteten Art sein. Sie
ermöglicht es insbesondere, den Effekt der durch das Rayleighverfahren
verursachten Amplitudenvariationen des empfangenen Signals zu kompensieren.
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So handelt es sich zum Beispiel bei der Dekodierung um eine Dekodierung mit
maximaler Wahrscheinlich keit, von der Viterbi Art.
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Bei den
bekannten COFDM-Empfängern besteht die Demodulation insbesondere in
einer Transposition durch einen örtlichen Schwingkreis, aus einer
Basisbandfilterung, aus einer analog/digital-Umwandlung, wobei die Anwendung eines
Zeitfensters die nützlichen Abtastproben in der Digitalfolge wählt und zuletzt aus einer
diskreten Fouriertransformation (TDF), welche die Trennung der verschiedenen
gesendeten Trägerfrequenzen durchführt.
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Beim üblicherweise angewandten Zeitfenster handelt es sich um ein
Rechteckfenster, das jedem der gewählten Abtastproben die gleiche Wichtung zuschreibt.
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Im Multiplex von N Trägerfrequenzen des COFDM-Signals wird jede Trägerfrequenz
unabhängig von den anderen moduliert. Die Frequenztrennung zwischen zwei
benachbarten Trägerfrequenzen beträgt 1/ts, wobei ts die Dauer des nützlichen
Teils eines Symbols ist.
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Die Anwendung eines zeitlichen Rechteckfensters der Länge ts auf ein Digitalsignal,
gefolgt von der TDF, kann im Frequenzbereich als Anwendung eines Filters
gedeutet werden, der jeder Trägerfrequenz angepaßt ist, d. h., auch als perfekte
Abtastung des Signals in diesem Frequenzbereich.
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Das Fehlen einer Verzerrung zwischen den Symbolen bei dieser Frequenzabtastung
wird durch die Position der Nullpunkte der Funktion sin x/x gewährleistet, durch die
Fouriertransformierte des Rechteckfensters, sowie durch die Hypothese einer
perfekten Festlegung der Punkte der Frequenzabtastung.
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Diese letzte Bedingung wird nicht immer eingehalten, aufgrund der Verzerrungen,
die durch den Sendekanal eingeführt werden (beispielsweise Doppler-Effekt), oder
einfach aufgrund eines Zuordnungsfehlers des örtlichen Schwingkreises auf das
empfangene Signal, insbesondere aufgrund der Genauigkeit der automatischen
Frequenzkorrektur (CAF).
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Es tritt somit eine Interferenz zwischen den Symbolen im Frequenzbereich auf.
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Zweck der Erfindung ist es, diesem Nachteil entgegenzuwirken.
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Genauer gesagt besteht der Zweck der Erfindung in der Bereitstellung einer
Vorrichtung, welche die Interferenz zwischen den Symbolen im Frequenzbereich im
Falle eines ungenauen Frequenzabgleichs minimiert. Dadurch erhöht sich der
Widerstand gegen Verzerrungen, die durch den Doppler-Effekt eingeführt werden.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung,
die weder einer Strukturänderung des gesendeten Signals noch der Empfänger
bedarf. Insbesondere hat die Vorrichtung der Erfindung Optionseigenschaft: ihre
Gegenwart verbessert die Qualität des dekodierten Signals, sie ist jedoch nicht
unbedingt erforderlich.
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Diese Ziele, sowie andere, die im Nachhinein ersichtlich werden, erreicht man mit
Hilfe einer Vorrichtung zur Minimierung der Folgen des Orthogonalitätsverlustes der
Trägerfrequenzen beim Empfang eines digitalen Signals von der Art, welches aus
digitalen Elementen besteht, die im Frequenz f - Zeit t - Raum verteilt sind und
welches in der Form von Symbolen gesendet wird, die jeweils aus einem Multiplex
von N orthogonalen Trägerfrequenzen bestehen, welche durch einen Satz digitaler
Elemente moduliert und gleichzeitig gesendet werden, wobei die Vorrichtung, die
insbesondere beim Hochleistungsfunkverkehr mit mobilen Stationen angewandt
wird, ein Transpositionsmodul mit einem örtlichen Schwingkreis für die
Basisbandfilterung und für die Analog-Digital-Umwandlung, ein Fenster-Modul für
die Auswahl der nützlichen Abtastproben sowie ein mathematisches
Transformationsmodul umfaßt, wobei das Fenster-Modul die Anwendung eines Zeitfensters
vom Nyquist-Typ, dessen "roll-off" nicht null ist, realisiert.
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Der Ausdruck "roll-off" wird im deutschen Text bei behalten, weil er üblicherweise
von den Fachleuten auf dem Gebiet angewandt wird. Manchmal wird er durch den
Ausdruck "Rückfallkoeffizient" ersetzt, wobei dieser Ausdruck nicht genau dieselbe
Bedeutung hat.
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Der Ausdruck "roll-off" bezeichnet die Flankenbreite eines Fensters.
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Im Falle einer Vorrichtung, die auf ein digitales Signal einwirkt, welches zwischen
den Symbolen jeweils ein Schutzintervall umfaßt, ist die Breite der Endflanke des
Nyquist-Zeitfensters vorteilhafterweise geringer als die halbe Breite des
Schutzintervalls.
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Ein solches Fenster hat den Vorteil, durch Fouriertransformation
Sekundärhalbperiodenbögen mit geringerer (geringeren) Amplitude(n) zu verursachen, als dies bei
einem Rechteckfenster der Fall wäre. Diese Vorrichtung verwirklicht eine
Erfindungstransposition der bekannten Nyquistanalyse in den Frequenzbereich.
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Bevorzugterweise ist jede Flanke des Nyquist-Zeitfensters ein Sinusbogen von einer
halben Periode.
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In der Tat ermöglicht diese Art von Nyquist-Zeitfenster das Erhalten von
Halbperiodenbögen sehr geringer Amplitude.
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Vorteilhafterweise bewirkt dieses Fenstermodul nach Anwendung des Nyquist-
Zeitfensters ein Falten der ersten ausgewählten Abtastproben mit den letzten
ausgewählten Abtastproben sowie die Summierung der ersten Abtastproben und
der letzten Abtastproben.
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So ist es möglich, die Zahl der mit dem Nyquist-Zeitfenster erhaltenen
Abtastproben auf die Zahl der Abtastproben zurückzuführen, die man mit dem klassischen
Rechteckfenster erhält.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfaßt die Vorrichtung Mittel zum
Erfassen der Kanalverzerrungen sowie Mittel zur Unterordnung des "roll-off" als
Funktion dieser Verzerrungen.
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Vorteilhafterweise handelt es sich bei diesen Unterordnungsmitteln des "roll-off"
um Mittel zur Wahl zwischen einem Fenster mit "roll-off" null und mindestens
einem Fenster mit "roll-off", dessen Wert nicht null ist.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung erscheinen beim Lesen der
folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführung, die zur Veranschaulichung
dargestellt wird und keineswegs einschränkend sein soll, sowie der beigefügten
Zeichnungen, wobei:
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Figur 1 die Lage der Empfangsfilterbank darstellt, die durch
Fouriertransformation im Verhältnis zu den Trägerfrequenzen des
in einem Empfänger bekannten Typs empfangenen Signals
festgelegt wird, für die Fälle perfekter und nicht perfekter
Abstimmungen des örtlichen Schwingkreises;
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Figur 2 die Frequenzantworten eines rechteckigen Zeitfensters und
eines Nyquist-Zeitfensters darstellt;
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Figur 3 ein Nyquist-Zeitfenster von der erhöhten Kosinus-Art
darstellt;
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Figur 4 die Eigenschaften eines Nyquist-Zeitfensters gemäß der
Erfindung in einer COFDM-Umgebung darstellt;
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Figur 5 eine zusammenfassende schematische Darstellung eines
Empfängers für COFDM-Signale gemäß der Erfindung ist.
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Die verschiedenen Aspekte der im folgenden beschriebenen Ausführungsart betrifft
insbesondere den digitalen Hörfunk mit mobilen Stationen.
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Es ist jedoch klar, daß das Prinzip des digitalen Hochleistungssendens der
Erfindung auf jede Art von Kommunikation anwendbar ist, insbesondere im Falle von
Kanälen, die dem Rayleigh-Verfahren unterliegen.
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Bei der Anwendung auf den digitalen Hörfunk kann beispielsweise ein Ziel darin
bestehen, daß sechzehn Stereoprogramme in einem 8 MHz breiten Frequenzband,
mit einem digitalen Durchsatz nach Kompression von der Größenordnung von 250
kbits/Sekunde und Stereoprogramm, gesendet werden.
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Figur 1 zeigt die Übertragungsfunktion 10 der äquivalenten Filterbank, welche
durch Fouriertransformation erzeugt wird. Sie besteht aus der
Nebeneinanderstellung der Übertragungsfunktionen der Elementarfilter 11, die jeweils einer der
Trägerfrequenzen des empfangenen Signals entsprechen. Die Übertragungsfunktion
eines dieser Elementarfilter folgt einem Gesetz von der Art sin(x)/x für den Fall der
Anwendung eines rechteckigen Zeitfensters.
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Bei perfekter Frequenzabtastung, d. h. wenn weder Doppler-Effekt noch
Unterordnungsfehler des CAF vorhanden sind, entspricht die Position einer jeden
Trägerfrequenz 12 des empfangenen Signals einem Maximum eines der Elementarfilter 11
und den Minima der anderen Filter. Dies erhöht die Abwesenheit von Interferenzen
zwischen Trägerfrequenzen bei der Frequenzabtastung.
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So beeinflußt, zum Beispiel im Falle eines Unterordnungsfehlers des örtlichen
Schwingkreises, die Position einer gegebenen Trägerfrequenz 13 die jeweiligen
Ausgänge von mehreren Elementarfiltern 11, 14, 15, in der Art, daß deren Position
nicht mehr mit den Minima dieser Filter übereinstimmt. Dadurch werden
Interferenzen
zwischen den Trägerfrequenzen am Ausgang eines jeden Elementarfilters
10 eingeführt.
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Das Prinzip der Erfindung besteht in der Anwendung eines nicht rechteckigen
Zeitfensters, dessen durch Fouriertranformation erzeugte
Sekundärhalbperiodenbögen schneller als die Funktion gemäß sin(x)/x abnehmen. So kann dieses
Zeitfenster von der "Nyquist"-Art sein, obwohl üblicherweise dieser Ausdruck auf
Übertragungsfunktionen im Frequenzbereich der bandreduzierenden Filter angewandt
wird, wobei in diesem Falle das Ziel darin besteht, die Abtastungsmomente im
Zeitbereich einzuhalten.
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Es handelt sich demnach um eine erfinderische Übertragung in den Frequenzbereich
der üblicherweise im Zeitbereich durchgeführten Nyquistanalyse, wobei die
Eigenschaften des COFDM-Signals betrachtet werden.
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Das Zeitfenster muß derart gewählt werden, daß keine Verzerrung bei der
Frequenzabtastung eingeführt wird, wenn der lokale Schwingkreis perfekt auf seinen
Nominalwert eingestimmt ist und keine Störung durch den Sendekanal eingeführt
wird. Ist F(f) die Fouriertransformierte des Zeitfensters f(t), so impliziert dies ganz
einfach folgendes:
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F(k/ts) = 0 für k Z und k ≠ 0.
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Es wird nachgewiesen, daß dies stimmt, wenn das Zeitfenster dem ersten
Nyquistkriterium entspricht. Mit den Schriftkonventionen des COFDM-Systems wird dieses
Kriterium:
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f(-tr/² + x) + f(-tr/² - x) = 1
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f(ts- tr/² + x) + f(ts- tr/² - x) = 1 mit 0 ≤ x ≤ tr/2
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wobei f(t) = 1 für 0 < t < ts - tr und wo ts die Dauer des nützlichen Teils
eines Symbols und tr die Breite der steigenden und abfallenden Fensterflanken ist.
Der Wert tr muß der folgenden Beziehung entsprechen:
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tr ≤ Δ, wobei Δ die Länge des Schutzintervalls ist.
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Aus der Menge der brauchbaren Nyquist-Zeitfenster werden selbstverständlich nur
die angewandt, deren Fouriertransformierte bei steigender Frequenz schnell
abnimmt.
Eine gewisse Anzahl von Zeitfenstern mit dieser Eigenschaft sind in der
üblichen Literatur aufgeführt. Es werden insbesondere Fenster angewandt, die eine
stetige Ableitung bei jedem Punkt aufweisen, bevorzugterweise Fenster, deren
Flanken einer halben Periode einer Sinuskurve entsprechen.
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Beispielsweise kann man das in Figur 3 dargestellte "erhöhte Kosinus"-Fenster
anwenden, das durch die folgenden Beziehungen definiert ist:
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f(x) = ¹/&sub2; + ¹/&sub2; sin π/tr (x + tr/2) für -tr ≤ x ≤ 0
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f(x) = 1 für 0 < x < ts - tr
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f(x) = ¹/&sub2; - ¹/&sub2; sin π/tr (x - ts + tr/2) für ts - tr < x ≤ ts
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Figur 2 vergleicht die Abnahme der Sekundärhalbperiodenbögen der
Fouriertransformierten für ein rechteckiges Zeitfenster und für ein Nyquist-Zeitfenster.
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Die vom Nyquist-Fenster 25 erzeugten Sekundärhalbperi odenbögen 21A, 21B und
21C haben geringere Amplituden als die vom Rechteckfenster 24 erzeugte
Sekundärhalbperiodenbögen 22A, 22B und 22C. Es ist klar ersichtlich, daß sich die zwei
Arten von Antworten bei denselben Frequenzen F&sub1;, F&sub2;, annullieren, damit die
Frequenzabtastung bei perfektem Sendekanal keine Interferenzen zwischen
Trägerfrequenzen einführt, d. h. wenn kein Doppler-Effekt vorhanden ist und wenn die
Frequenzabstimmung perfekt ist.
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Die Anwendung eines Nyquist-Zeitfensters anstelle eines Rechteckfensters
erfordert eine Zeiterweiterung dieses Fensters, wie aus Figur 4 ersichtlich.
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In der Tat ist ein klassisches Rechteckfenster 41 so definiert, daß nur der nützliche
Teil 43 eines Symbols 44 berücksichtigt wird, und nicht das Schutzintervall 42, um
Interferenzen zwischen Symbolen im Zeitbereich zu vermeiden.
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Im Falle eines Nyquist-Zeitfensters 45 muß dieses Fenster breiter sein. Genauer
gesagt müssen die Übergänge 46, 47 des Filters auf Abtastproben wirken, die im
Falle eines Rechteckfensters üblicherweise nicht angewandt werden.
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Um jede Interferenz zwischen den Symbolen zu vermeiden, wählt man die
Zeitdauer tr beider Übergänge derart, daß tr kleiner oder gleich Δ, der Dauer des
Schutzintervalls 42, ist.
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Im besonderen Falle des COFDM kann die durch Zunahme der Abtastproben
eingeführte Komplexität reduziert werden. Es ist in der Tat möglich, den Teil, der
sich unter der steigenden Flanke 46 des Fensters befindet, in das nützliche Symbol
einzufügen, und zwar durch Faltung und Summierung des Teils 46 unter der
steigenden Flanke mit dem Teil 47 unter der absteigenden Flanke. Somit ist die
Zahl der Koeffizienten, die durch Fouriertransformation behandelt werden müssen,
identisch mit derjenigen, die im Falle eines Rechteckfensters erzielt werden.
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Sei y(t) das Signal vor Anwendung des Fenstermoduls und z(t) das Signal nach
Anwendung des Fenstermoduls, wobei y für -Δ ≤ t ≤ ts und z(t) für 0 ≤ t ≤ ts
definiert sind.
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Im Falle eines nicht rechteckigen Fensters f(t) wird die Transformation:
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z(t) = y(t) für 0 ≤ t ≤ ts - tr
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z(t) = f(t) y(t) + f(t - ts)y(t - ts) für ts - tr < t ≤ t
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Es ist bekannt, daß das Ausführen einer N-Punkte Fouriertransformation an diesem
Signal z(t) gleichwertig ist mit der Durchführung einer 2N-Punkte Transformation
an einem Signal y(t)f(t) (verlängert durch Nullen, damit es die gewünschte Länge
2 ts erreicht), wonach nur jeder 2. Punkt beibehalten wird.
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Wenn es sich beim Fenster um ein Nyquist (und symmetrisches) Zeitfenster
handelt, so gilt f(t) + f(t-ts) = 1/2.
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Wird außerdem dem Signal keine Verzerrung zugefügt, d. h. y(t) = x(t), wobei x(t)
das gesendete Signal ist, erhält man, gemäß der Eigenschaft des
COFDM-Schutzsignals:
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y(t - ts) = x(t - ts) = x(t).
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Es wird dann nachgewiesen, daß z(t) = x(t): es wird durch die Anwendung des
Fenstermoduls keine Verzerrung eingeführt, falls der Übertragungskanal perfekt ist,
d. h. wenn der CAF perfekt ausgerichtet ist.
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Man bemerke, daß diese Vorrichtung keine Änderung des gesendeten Signals
erfordert, wodurch seine Kompatibilität mit den existierenden Systemen
gewährleistet ist.
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Figur 5 stellt eine besondere Ausführungsart eines Empfängers gemäß der
Erfindung dar.
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Zuerst wird das empfangene Signal in bekannter Weise einem Modul 52 für die
Transposition, das Filtern und die analog/digitale Konversion des gesamten COFDM
Signals ausgesetzt.
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Das somit erhaltene digitale Signal wird dann dem Fenstermodul 53A ausgesetzt.
Es wird nun eine Fouriertransformierte (TFD) 54 realisiert, gefolgt von einer
differentiellen oder kohärenten Demodulation 55, zuletzt wird der Kanal 56 dekodiert.
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Das Fenstermodul 53A erfaßt in der ersten Zeit N + p Punkte (wobei N die Anzahl
der nützlichen Abtastproben unter der ansteigenden Fensterflanke ist), führt eine
Wichtung 58 aus, die der tatsächlichen Anwendung des Nyquist-Zeitfensters
entspricht, zuletzt gefolgt von der Faltung und der Summierung 59 der
Abtastproben der ersten Fensterflanke auf die zweite, genauer der p/2 ersten auf die p/2
letzten Abtastproben.
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Vorteilhafterweise kann das Fenstermodul als Funktion des Verzerrungsniveaus
angepaßt werden. In diesem Falle wählt ein Modul 60 für die Abschätzung der
Verzerrungen ein besonderes Fenster unter mehreren Fenstern 53A, 53B, 53C, ...,
aus.
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Jedes dieser Fenster 53A, 53B, 53C hat einen verschiedenen "roll-off"
(Rückfallkoeffizient). Man kann insbesondere überein klassisches Rechteckfenster 61 sowie
über ein oder mehrere Fenster gemäß der Erfindung verfügen.
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Man weiß in der Tat, daß wenn sich ein Fahrzeug langsam bewegt, der Doppler-
Effekt gering ist. Man kann dann den "roll-off" verringern. Umgekehrt, je schneller
sich das Fahrzeug bewegt, desto breiter muß das ausgewählte Fenster sein. Es
muß auch ein anderes Phänomen berücksichtigt werden, nämlich die Ausbreitung
der Impulsantwort des Sendekanals. So ist, in Gegenwart langer Echos, d. h., eines
sehr stark streuenden Kanals, die Impulsantwort über die Zeit verbreitet, weshalb
es günstig ist, den "roll-off" zu verringern.
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Dem Fachmann werden viele andere Anwendungen der Erfindungsvorrichtung als
selbstverständlich erscheinen.