DE69219297T2

DE69219297T2 - Taktwiedergewinnungseinrichtung für Empfangsanlage mit adaptiver Entzerrung mittels Überabtastung zusammen mit differentieller kohärenter Demodulation

Info

Publication number: DE69219297T2
Application number: DE69219297T
Authority: DE
Inventors: Philippe Sehier; Veronique Truelle
Original assignee: Alcatel Telspace SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1991-12-19
Filing date: 1992-12-14
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2012-12-15
Also published as: EP0547539B1; US5285482A; FR2685594B1; DE69219297D1; EP0547539A1; ES2101015T3; FR2685594A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Wiedergewinnung des Takts für eine Empfangseinrichtung, die eine seibstanpassende Entzerrung mit Übertastung in Verbindung mit der differential-kohärenten Demodulation verwendet. Sie ist insbesondere auf die digitale Datenübertragung über einen dispersiven Mehrwege-Kanal anwendbar, bei dem Interferenzen zwischen Symbolen in der empfangenen Information erzeugt werden, beispielsweise auf die digitale Übertragung über Funkstrecken mit direkter Sicht über große Entfernung oder über einen troposphärischen Kanal. Die Erfindung ist bei Übertragungssystemen einsetzbar, die eine differential demodulierbare lineare Modulation verwenden, beispielsweise die Modulation QPSK oder MPSK. Vorzugsweise ist die Erfindung einsetzbar in Empfangseinrichtungen, die für Diversity-Empfang geeignet sind.
Die Interferenz zwischen Symbolen kann die Qualität der Empfangseinrichtung für eine digitale Übertragung über Funkstrecken erheblich beeinträchtigen. Um diesen Nachteil zu beheben, verwendet man bekanntlich bei der kohärenten Modulation die selbstanpassende Entzerrung unter Einsatz eines seibstanpassenden Filters, dessen Aufgabe es ist, die Interferenz zwischen den Symbolen möglichst zu verringern. In den am weitesten verbreiteten Systemen, die auch die einfachsten sind, ist das Kriterium für die Optimierung des Filters die Minimierung des mittleren quadratischen Fehlers, und die Filterkoeffizienten werden durch den Algorithmus des stochastischen Gradienten aktualisiert.
Um die Qualitäten der Empfangsanlagen weiter zu verbessern, die die selbstanpassende Entzerrung und kohärente Demodulation verwenden, setzt man bekanntlich die Diversity-Technik ein, indem für jeden Empfangskanal ein selbstanpassendes Entzerrungsfilter verwendet wird, das auf das empfangene Signal einwirkt und den Ausgang des Demodulators mit einem selbstanpassenden Filter zur Entscheidungsrückkopplung verbindet, das auf die entschiedenen Symbole einwirkt. Bei der kohärenten Demodulation ist der Algorithmus für die Anpassung der Filterkoeffizienten gut bekannt, und bis heute wurden zahlreiche Empfangseinrichtungen so hergestellt. Ein Beispiel für eine Empfangseinrichtung, die eine seibstanpassende Entzerrung beim Diversity-Empfang verwendet, ist in dem Patent US-A-3 879 664 beschrieben.
Der Nachteil der kohärenten Demodulation liegt in der Notwendigkeit, daß die Phase des Empfangssignals gesch:tzt werden muß, denn diese Schätzung ist besonders schwer zu realisieren, da die betroffenen Kanäle schnelle Phasenveränderungen erzeugen, die dazu führen können, daß der Empfänger außer Tritt fällt.
Eine bekannte Lösung, um die Phasenabschätzung zu vermeiden, besteht in der Verwendung der differential kohärenten Demodulation, die auch Differentialdemodulation genannt wird. Gemäß dieser Technik dient die vorhergehende Tastprobe als Phasenreferenz für die Signaltastprobe, die gerade behandelt wird. Eine Empfangseinrichtung, die die selbstanpassende Entzerrung in Verbindung mit der Differentialdemodulation verwendet, ist in der Patentanmeldung FR-A-2 641 922 beschrieben.
Für die Empfangseinrichtungen mit selbstanpassender Entzerrung in Verbindung mit der Differentialdemodulation muß die Zeitbasis oder der Taktgeber des Empfängers auf die Zeitbasis des Senders synchronisiert werden, der den Takt der Aussendung von Datensymbolen definiert. Es sind Vorrichtungen zur Taktwiedergewinnung bekannt, die von der komplexen Hüllkurve des empfangenen Signals vor der Entzerrung abhängen.
Diese bekannten Vorrichtungen sind jedoch wenig wirksam, wenn der Übertragungskanal dispersiv ist.
Außerdem erfordert der Betrieb des Diversity-Empfängers eine Kombination der Schätzergebnisse, was den Empfänger komplex macht. Da außerdem die Nachregelvorgänge des Tastzeitpunkts von den Entzerrungsoperationen unabhängig sind, erlaubt der durch die Taktwiedergewinnungsvorrichtung festgelegte Tastzeitpunkt dem Entzerrer nicht, unter optima len Bedingungen zu arbeiten. Insbesondere führen die aufeinanderfolgenden Zyklussprünge (die nach einer gewissen Zeit auftreten) zu der Gefahr, daß der Entzerrer außer Tritt fällt, was einen korrekten Betrieb des Empfängers auflange Sicht nicht zu gewährleisten vermag.
Eine solche Taktwiedergewinnungsvorrichtung ist nämlich auf Entzerrer mit einem geringen Korrekturvermögen für digitale Übertragungen über nur schwach dispersive Kanäle geeignet und nicht für Entzerrer für digitale Übertragungen über stark dispersive Kanäle wie z.B. den tro posphärischen Kanal.
Es sind auch Vorrichtungen zur Taktwiedergewinnung bekannt, die die Koeffizienten der Transversalfilter des Entzerrers zur Korrektur der Phase des wiedergewonnenen Takts aufgrund eines Regelkriteriums der Gruppenausbrei tungszeit der Filter verwenden, wie dies in der Druckschrift IEEE Transactions on Communication, Vol COM-24, Nº 8, August 1976 beschrieben ist.
Die Nachteile solcher Vorrichtungen zur Taktwiedergewinnung sind unterschiedlicher Art:
- Für einen Entzerrer, der für Diversityempfang geeignet ist und mit Hilfe eines einzigen Fehlers nachgeregelt wird, der nach einer Kombination erzeugt wird, ist die Gruppenausbreitungszeit jedes der Filter kein Informationsträger mehr, und keine beliebige Kombination dieser Informationen kann mehr ein für den Phasenfehler des wiedergewonnenen Takts nützliches Schätzsignal liefern.
- Die Leistungen der Taktregelschleife hinsichtlich des Erfassungsbereichs und der Bandbreite sind durch das Frequenzband der Schleife des Entzerrers begrenzt, das einige Hertz beträgt. Eine solche Taktwiedergewinnungsvorrichtung erfordert die Verwendung von sehr stabilen Taktgebern, um nicht die Qualitäten des Entzerrers zu beeinträchtigen, da die Veränderungen der Filterkoeffizienten an die zufälligen Veränderungen der Phasen des Taktgebers angepaßt werden.
Eine Lösung, um den seibstanpassenden Entzerrer weniger empfindlich für den Tastzeitpunkt des Signals zu machen, besteht darin, das Empfangssignal vor der Entzerrung mit einer Frequenz gleich einem Vielfachen der Symbolfrequenz zu übertasten. Der Übertastungsfaktor, der meist verwendet wird, hat den Wert 2. Gemäß einem solchen Schema wäre keine Taktwiedergewinnung mehr erforderlich, da sie durch den Entzerrer realisiert wird.
Dies würde jedoch dazu führen, daß die Verwendung eines Entzerrers in Betracht gezogen werden müßte, dessen Anzahl von Koeffizienten unendlich groß ist. In der Praxis ist diese Lösung nicht realisierbar, da die Anzahl von Filterkoeffizienten begrenzt sein muß.
Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beheben. Hierzu schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur Taktwiedergewinnung für eine Empfangseinrichtung vor, die die selbstanpassende Entzerrung mit Übertastung in Verbindung mit der differential kohärenten Demodulation verwendet und ein Ausgangssignal erzeugt, das für wiedergewonnene entschiedene Symbole im Symboltakt aufgrund der Signale repräsentativ ist, die über einen dispersiven Weg übertragen und über eine Mehrzahl von Diversity-Kanälen empfangen wurden, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält:
- ein Mittel, das auf das Ausgangssignal anspricht, um ein Signal der Kodierung durch einen Übergang abzuleiten,
- eine Mehrzahl von Kanalschätzmitteln, die je an den Ausgang des Übertastungsmittels in jedem Diversity-Kanal angeschlossen sind, wobei jedes Kanalschätzmittel außerdem das Signal der Kodierung durch einen Übergang empfängt, um ein Kanalschätzsignal zu erzeugen,
- ein Mittel, das auf die Kanalschätzsignale anspricht, um
ein Symboltakt-Fehlersignal zu erzeugen,
- ein Mittel, das durch das Fehlersignal nachgeregelt wird, um ein Taktsignal entsprechend dem Symboltakt zu erzeugen.
Jedes Kanalschätzmittel enthält q Korrelatoren und der Fehler et des Symboltakts ist durch folgende Beziehung gegeben:
15 Hierbei bezeichnen W&sub1;¹, W&sub1;², ... W1n diskrete Werte, die von den i-ten Korrelatoren der Kanalschätzmittel in den jeweiligen Empfangskanälen 1, 2, ...., n erzeugt werden.
Gemäß einer Variante ergibt sich der Taktfehler et aus der nachfolgenden Gleichung:
Vorzugsweise enthält die Vorrichtung zur Taktwiedergewinnung außerdem ein Mittel zum Filtern des Taktfehlersignals.
Die verschiedenen Merkmale der Erfindung werden nun im einzelnen anhand eines die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine Empfangseinrichtung mit einer selbstanpassenden Entzerrung und Übertastung in Verbindung mit der differential kohärenten Demodulation, wobei eine Vorrichtung zur Taktwiedergewinnung gemäß der Erfindung eingeschlos sen ist.
Figur 2 zeigt ein Übersichtsschaltbild einer Kanalschätzschaltung, die zur erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Taktwiedergewinnung gehört.
In den Figuren werden gleiche Elemente stets mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Gemäß Figur 1 wird ein analoges Signal, das von einem dispersiven Weg bezüglich eines Diversity-Kanals ausgesendet wurde, bei 1 nach einer Umsetzung in das Basisband und nach einer Filterung empfan gen. In dieser Figur wurden zwei Diversity-Kanäle dargestellt, deren Strukturen einander gleichen. Diese am Eingang 1 vorliegenden Signale werden gemäß zwei in Phasenquadratur liegenden Kanälen durch zwei klassische Analog-Digital- Wandler 2 digitalisiert, die ein Taktsignal für die Tastung mit einer Frequenz empfangen, die ein Vielfaches der Symbolfrequenz 1/T ist, wobei der Übertastungsfaktor in diesem Fall gleich 2 ist. Die digitalisierten Signale bei 3 sind komplexe Tastproben, wie dies in der Signaltheorie wohlbekannt ist.
Die aufeinanderfolgenden komplexen Tastproben bei 3 laufen dann vor der Demodulation in einem Differentialdemodulator 8 durch ein selbstanpassendes Filter 4 eines bekannten Modells. Jedes selbstanpassende Filter 4 ist wie üblich an ein logisches Organ 20 zur Berechnung seiner Koeffizien ten über eine in beiden Richtungen wirksame Verbindung 21 angeschlossen.
Das bei 5 aus jedem selbstanpassenden Filter 4 austretende digitale Signal wird mit Hilfe einer Neu-Tastvorrichtung 6 dezimiert, die bei 7 Tastproben mit dem Sym boltakt 1/T erzeugt. Diese gelangen dann an den erwähnten Differentialdemodulator 8.
Die Signale am Ausgang 9 jedes Demodulators werden dann in einem Summierglied 10 kombiniert, das in der Diversity-Technik bekannt ist.
Das digitale Signal am Ausgang 11 dieses Summierglieds 10 gelangt dann an den Eingang einer Entscheidungsschaltung 12, deren Ausgang 13 im Rhythmus des wiedergewonnenen Symboltakts entschiedene Symbole liefert, wobei der Ausgang der Entscheidungsschaltung auch der Ausgang der Empfangseinrichtung ist.
Die Signale am Eingang 11 und am Ausgang 13 der Entscheidungsschaltung werden dann wie üblich in einer Fehlerberechnungsvorrichtung 14 voneinander abgezogen, deren Ausgang 19 an den Informationseingang jedes der erwähnten logischen Organe 20 angeschlossen ist.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist der Ausgang 13 der Entscheidungsschaltung 12 an eine Übergangskodierschaltung 15 angeschlossen, die aus einem Multiplizierer besteht, dessen Ausgang 16 an seinen Eingang über eine Verzögerungsschaltung 17 zurückgeschleift ist, wobei die Verzögerung gleich dem ursprünglichen Abstand T zwischen Symbolen ist.
Genauer betrachtet wird das in der Schaltung 15 zum Zeitpunkt kT ankommende entschiedene Symbol (k ist eine ganze Zahl) nach einer Verzögerung p aufgrund der selbstanpassenden Filter 4, ausgedrückt in der Anzahl von Symbolperioden, durch die Bezeichnung dK-p angegeben. Das aus der Schaltung 15 im Zeitpunkt kT austretende entschiedene Symbol wird ebenso durch die Bezeichnung Ck-p definiert. Das Symbol, das im Zeitpunkt (k-1)T ausgetreten war, wird mit Ck-p-1 bezeichnet. Der Betrieb der Schaltung 15 kann also ausgehendp von der nachfolgenden Beziehung beschrieben werden:
Ck-P = Ck-p-1 dk-p Das bei 16 vorliegende digitale Signal gelangt an den Eingang von mehreren Kanalschätzschaltungen 23, die je zu einem Diversity-Kanal gehören. Jede Kanalschätzschaltung 23, die nachfolgend im einzelnen beschrieben wird, empfängt außerdem das bei 3 vorliegende und vom zugeordneten Analog- Digital-Wandler 2 erzeugte digitale Signal. In der Literatur werden zahlreiche Kanalschätzschaltungen beschrieben. Eine übliche Kanalschätzschaltung reicht für die hier betrachtete Anwendung aus, und ein Beispiel einer solchen Schaltung ist in Figur 2 gezeigt.
Wie aus dieser Figur zu ersehen ist, wird die komplexe Tastprobe bei 3, die in die Schaltung 23 im Zeitpunkt kT+T/2 eintritt (die Zahl 2 ist der oben erwähnte Übertastungsfaktor), mit r(kT+T/2) bezeichnet. Die komplexe Tastprobe, die im Zeitpunkt kT angekommen war, wird mit r(kT) bezeichnet, und diejenige, die im Zeitpunkt kT-T/2 angekommen war, wird mit r(kT-T/2) bezeichnet. Diese Tastproben werden in geradzahlige Tastproben, die bei 103 zu einem Zeitpunkt vorliegen, der ein ganzzahliges Vielfaches von T ist, und in ungeradzahlige Tastproben unterteilt, die bei 203 vorliegen.
Die bei 103 bzw. 203 vorliegenden Tastproben werden um eine Zeit 1T in je einer Verzögerungsschaltung 104 bzw. 204 verzögert.
Die gezeigte Kanalschätzschaltung 23 enthält acht Korrelatoren 60, von denen vier über Verzögerungsschaltungen 50, die je eine Verzögerung gleich einer Symbolperiode einführen, in Reihe an den Ausgang der Verzögerungsschaltung 104 angeschlossen sind, während die vier anderen Korrelatoren über weitere Verzögerungsschaltungen in Reihe an den Ausgang der Verzögerungsschaltung 204 angeschlossen sind, wie dies gut bekannt ist.
Alle Korrelatoren 60 empfangen außerdem das digitale Übergangskodiersignal, das bei 16 am Ausgang der Schaltung 30 vorliegt, die die komplexen konjugierten Tastproben C*k-p erzeugt.
Eine solche Schätzschaltung erzeugt in regelmäßigen Zeitintervallen und aufgrund ihrer Korrelatoren diskrete Werte Wi (i ist der Korrelatorindex) der Impulsantwort des Diversity-Kanals, dem sie zugeordnet ist. Im dargestellten Beispiel beträgt der Zeitschritt T/2 (d.h. den Kehrwert der Übertastungsfrequenz des empfangenen Signals).
Jede Kanalschätzschaltung erzeugt daher am Ausgang acht digitale Signale, deren diskrete Werte in Figur 2 folgendermaßen bezeichnet sind:
Hierin variiert i von 0 bis q-1,
q bezeichnet die Anzahl von Korrelatoren jeder Kanalschätzschaltung (im dargestellten Beispiel gilt q = 8), 1 bezeichnet die Verzögerung zur Kompensation der Schaltungen 104 und 204,
p bezeichnet die Verzögerung der Gruppenlaufzeit der Gesamtheit der selbstanpassenden Filter,
C*k-p bezeichnet den komplexen konjugierten Wert von Ck-p.
Es sei bemerkt, daß Wi den Absolutwert des Quadrats der Abschätzung der Impulsantwort des Kanals in einem gegebenen Augenblick in Abhängigkeit von einem spezifischen Korrelator darstellt, was an sich bekannt ist.
Die digitalen Signale, die am Ausgang 24 der Kanalschätzschaltungen 23 vorliegen, werden an eine Zeitschätzschaltung 25 angelegt, die den Symboltaktfehler in regelmäßigen Zeitintervallen berechnet, und zwar gemäß dem folgenden Ausdruck:
Hierin bezeichnet q die Anzahl von Korrelatoren jeder Kanalschätzschaltung und n bezeichnet den Diversity-Kanal, auf den sich ein von der Schätzschaltung 23 erzeugter diskreter Wert Wi bezieht.
Die Berechnung des Fehlers et kann vorzugsweise
vereinfacht werden, indem der Nenner in dem obigen Ausdruck beseitigt wird, so daß sich ergibt:
Ein Wert des Fehlers et wird in regelmäßigen Zeitintervallen im Rhythmus eines Werts für N Symbolperioden T erzeugt, so daß sich ein Symboltakt-Fehlersignal bei 26 ergibt, das in einem an sich bekannten Filter 27 mit einer digitalen Schleife erster Ordnung gefiltert wird. Das Signal am Ausgang 28 des Filters 27 regelt einen spannungsgesteuerten Oszillator 29 vom analogen oder digitalen Typ, der somit das wiedergewonnene Symboltaktsignal mit einer Periode T erzeugt. Wie oben angegeben, steuert dieses Symboltaktsignal die Analog-Digital-Wandler 2 und die Tastschaltungen 6 des selbstanpassenden Entzerrers zur erneuten Tastung.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt und kann zahlreiche Varianten umfassen, die den Rahmen der Erfindung nicht verlassen.

Claims

1. Vorrichtung zur Taktwiedergewinnung für eine Empfangseinrichtung, die die selbstanpassende Entzerrung mit Übertastung in Verbindung mit der differential kohärenten Demodulation verwendet und ein Ausgangssignal erzeugt, das für wiedergewonnene entschiedene Symbole im Symboltakt aufgrund der Signale repräsentativ ist, die über einen dispersiven Weg übertragen und über eine Mehrzahl von Diversity-Kanälen empfangen wurden, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält:

- ein Mittel (15), das auf das Ausgangssignal anspricht, um ein Signal der Kodierung durch einen Übergang abzuleiten,

- eine Mehrzahl von Kanalschätzmitteln (23), die je an den Ausgang des Übertastungsmittels in jedem Diversity-Kanal angeschlossen sind, wobei jedes Kanalschätzmittel außerdem das Signal der Kodierung durch einen Übergang empfängt, um ein Kanalschätzsignal zu erzeugen,

- ein Mittel (25), das auf die Kanalschätzsignale anspricht, um ein Symboltakt-Fehlersignal zu erzeugen,

- ein Mittel (29), das durch das Fehlersignal nachgeregelt wird, um ein Taktsignal entsprechend dem Symboltakt zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der jedes Kanalschätzmittel q Korrelatoren (60) enthält und der Fehler et des Symboltakts durch folgende Beziehung gegeben ist:

worin W&sub1;¹, W&sub1;², ... W1n diskrete Werte darstellen, die von den i-ten Korrelatoren der Kanalschätzmittel in den jeweiligen Empfangskanälen 1, 2, .... n erzeugt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der jedes Kanalschätzmittel q Korrelatoren (60) enthält und der Fehler et des Symboltakts durch folgende Beziehung gegeben ist:

worin W&sub1;¹, W&sub1;², ... W1n diskrete Werte darstellen, die von den i-ten Korrelatoren der Kanalschätzmittel in den jeweiligen 15 Ernpfangskanälen 1, 2, .... n erzeugt werden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, die außerdem ein Mittel (27) zum Filtern des Symboltakt-Fehlersignals enthält.