DE69432887T2 - System zur Rundfunkübertragung unter Verwendung einer breitbandigen adaptiven Antennenanordnung und Frequenzbereichsignalverarbeitung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme mit einer Mehrzahl von Raum-Diversity-Antennen.
• Heutzutage bieten sich für den Mobilfunk eine Anzahl alternativer und zum großen Teil unvereinbarer Signalübertragungssysteme einschließlich des Analogsystems von AMPS, des nordamerikanischen digitalen Mobilfunkstandards IS-54 und des CDMA-Systems von Qualcomm. Jedes dieser Systeme erfordert eine dedizierte anwendungsspezifische Hardware, und der größte Teil der für ein System ausgelegten Hardware ist bei den anderen unbrauchbar. Obwohl weiterhin in jedem dieser Systeme verschiedene Verfahren zur Verbesserung der Leistung und Steigerung der Kapazität durch Verringern von Signalinterferenz- und Schwundproblemen vorgeschlagen worden sind, wird die Ausführung dieser Verfahren in jedem gegebenen System oft ernsthaft durch die bei der erforderlichen Hardwareergänzung und/oder -ersetzung entstehenden Kosten eingeschränkt.
• Beispielsweise ist zum Überwinden von Schwund und Signalinterferenz die Verwendung von Raum-Diversity-Empfang an der Basisstation vorgeschlagen worden. Bei einem Raum-Diversity-Funksystem werden durch eine Mehrzahl von Antennen empfangene Signale verarbeitet, um Schwund und Interferenz durch andere Benutzer zu überwinden. Siehe diesbezüglich „Optimum Combining in Digital Mobile Radio with Cochannel Interference" (Optimales Kombinieren im digitalen Mobilfunk mit Gleichkanalstörung), J. H. Winters, im IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Band SAC-2, Nr. 4, Juli 1984. Diese Verarbeitung kann das Multiplizieren des Signals von jedem Antennenelement mit einem steuerbaren Gewicht zum Einstellen der Phase und Amplitude des Signals und nachfolgendes Kombinieren dieser Signale zum Erzeugen des Ausgangssignals umfassen. Die Charakteristik der adaptiven Gruppe wird dadurch geändert, um die Leistung störender Signale zu verringern und den Empfang des gewünschten Signals zu optimieren, wodurch die Kapazität und Leistung von Mobilfunksystemen wesentlich gesteigert wird. Auf ähnliche Weise können mehrere Sendeantennen an der Basisstation zur Verbesserung der Kapazität und Leistung am Mobilfunkgerät benutzt werden. Insbesondere kann unter Verwendung optimalen Kombinierens, wodurch die Signale gewichtet und kombiniert werden, um den mittleren quadratischen Fehler im Ausgangssignal zu minimieren, mit M Antennen eine M-fache Steigerung der Kapazität erreicht werden, wie ersichtlich ist aus „The capacity of wireless communication systems can be substantially increased by the use of antenna diversity" (Die Kapazität drahtloser Kommunikationssysteme kann durch die Verwendung von Antennen-Diversity wesentlich gesteigert werden), R. D. Gitlin, J. Salz, J. H. Winters, in Proceedings of the First International Conference on Universal Personal Communications, 29. September–2. Oktober 1992, Dallas, Texas, Seiten 28–32. So kann durch einfaches Hinzufügen von Antennen an die Basisstation modulares Wachstum erreicht werden. Obwohl die Hauptkosten dieser Verbesserungen nun bei der Basisstation liegen, wo die Kosten unter den Benutzern geteilt werden, kann die Höhe der Investitionen, die zum Ergänzen und Abändern der Hardware zum Bearbeiten der zusätzlichen Antennensignale an der Basisstation erforderlich sind, atemberaubend sein, besonders wenn man die große Anzahl von Kanälen in Betracht zieht, die von der Basisstation u. U. verarbeitet werden müssen, z. B. bis zu 333 Kanäle/Benutzer im AMPS-System oder 1000 Benutzer mit 333 Frequenzkanälen in einem IS-54-System. Derartige Investitionen sind sogar noch unwahrscheinlicher, wenn die Hardware bei jeder Systemänderung ersetzt werden muß.
• Aus der GB-A-2 195 515 ist bekannt, von mehreren Antennen empfangene gewichtete transformierte Signale zu summieren, um Störung zu verringern. Die Transformation wird durch einen „Chirp"-Transformator zwischen einer jeweiligen Antenne und dem Eingang zum Summierer erreicht, wobei eine Gesamt-Rücktransformation an der Summiererausgabe durchgeführt wird.
• Nach der vorliegenden Erfindung wird ein System nach Anspruch 1 bereitgestellt.
• Die Unfähigkeit von Mobilfunksystemen des Stands der Technik, sich an Verfahren zur Verbesserung von Schwund und Störungsfestigkeit anzupassen, wird in einem Ausführungsbeispiel überwunden, bei der Block-Funkempfang mit im Frequenzbereich durchgeführter Verarbeitung der adaptiven Antennengruppe kombiniert wird. Jeder einer Mehrzahl von Basisstationsantennen wird mindestens ein jeweiliger Breitband-HF-Empfänger zugeordnet, der die interessierende Bandbreite auf eine ZF-Frequenz verlegt, und ein Analog-Digital-(A/D)-Wandler. Die Bandbreite des Empfängers wird so gewählt, daß er alle der mehreren Mobilfunkkanäle in dem bestimmten Band, auf das er abgestimmt ist, umfaßt. Alle übrigen Aufgaben, die für den weiteren Empfang von Signalen erforderlich sind, einschließlich der Kanaltrennung, Filterung, Demodulation, Träger- und Taktwiedergewinnung, Entzerrung und Verarbeitung der adaptiven Antennengruppen, werden mit programmierbaren Digitalsignalprozessoren durchgeführt. Insbesondere werden Blöcke von empfangenen Abtastwerten vom A/D jeder Antenne in den Frequenzbereich umgeformt, wo Filterung und Entzerrung durchgeführt werden. Die Frequenzbereichsdaten von einer Mehrzahl von Antennen werden dann für Kanaltrennung und Umwandlung in den Zeitbereich zur Demodulation kombiniert. Auf ähnliche Weise wird für die Übertragung das jeweils die Signale in mehreren Kanälen darstellende Digitalsignal in ein Analogsignal umgewandelt, und diese Signale werden unter Verwendung einer Mehrzahl von Breitbandsendern und -antennen übertragen.
• Beschreibung der Zeichnung
• Die obigen Aufgaben und Merkmale werden möglicherweise deutlicher, indem man nunmehr auf die Zeichnung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung Bezug nimmt, in der:
• 1 ein Blockschaltbild eines Block-Funkempfangssystems mit Raum-Diversity-Empfang an einer Mobilfunk-Basisstation ist; und
• 2A bis 2C Diagramme eines K-Kanal-Systems sind, die Frequenzbereichsdaten, das Filter, Entzerrung und Kombinieren von Gewichten bzw. die gewichteten Frequenzbereichsspektren für die ite-Antenne zeigen.
• Allgemeine Beschreibung
• 1 zeigt eine Basisstation mit einer adaptiven Antennengruppe mit M Elementen 101-1 bis 101-M, wobei jedes Element einem entsprechenden abstimmbaren Breitbandempfänger 102-1 bis 102-M zugeordnet ist, einem A/D-Wandler 130-1 bis 103-M und Digitalsignal-Verarbeitungsschaltungen 104-1 bis 104-M. Die Empfänger 102-1 bis 102-M benutzen jeweils einen Mischer mit einem (nicht gezeigten) Empfangsoszillator zum Umsetzen der interessierenden Bandbreite (z. B. der Bandbreite, die die Anzahl von Mobilfunkkanälen umfaßt, die in dem Band, auf das die Empfänger gegenwärtig abgestimmt sind, zugewiesen sind), in eine ZF hinab und zum Ausfiltern unerwünschter Frequenzen. Die Empfänger 102-1 bis 102-M können vorteilhafterweise so abstimmbar sein, daß sie alle oder einen Teil des Mobilfunkbandes, z. B. 10 MHz bei 900 MHz bei IS-54 oder AMPS abdecken. Die Empfänger können auch auf andere Bänder abstimmbar sein, so daß dieselbe Einheit leicht zur Verwendung auf anderen Frequenzen, z. B. 1,8 GHz abgeändert werden kann. Das Signal von jedem Empfänger wird A/Dgewandelt, mit einer Abtastrate, die zur Wiederherstellung des Empfangssignals ausreicht, typischerweise dem Zweifachen der Bandbreite.
• Dann werden die digitalisierten Signale zu den Digitalverarbeitungsschaltungen 104-1 bis 104-M weitergegeben, wobei alle übrigen Elemente des Systems vorteilhafterweise unter Verwendung von Digitalsignalprozessoren realisiert werden. In den digitalen Schaltungen werden Blöcke von 2N Abtastwerten unter Verwendung von FFT-Moduln 110-1 bis 110-M in den Frequenzbereich umgesetzt. Die Frequenzbereichs-Datenblöcke, die die Kurzzeitspektren des Empfangssignals darstellen, X_i(n), i = 1, ..., M, n = 1, ..., 2N, werden dann an die Multiplikatoren 111-1 bis 111-M angelegt. Mit diesen Multiplikatoren wird Frequenzbereichsfilterung durch Multiplizieren der Frequenzbereichsdaten mit H₁(n) bis H_M(n) implementiert, um die gewichteten Frequenzspektren Y₁(n) bis Y_M(n) zu erzeugen, d. h. Yi(n) = Xi(n)Hi(N), i = 1, ..., M, n = 1, ..., 2N.
• H₁(n) stellt den Frequenzgang entsprechend der Kombination der Gewichte des Empfangsfilters, Entzerrers und Kombinierung der adaptiven Antennengruppe dar. Die Erzeugung von H₁(n) wird unten beschrieben. Es ist zu beachten, daß die Verwendung von Verarbeitung im Frequenzbereich ermöglicht, daß das Empfangsfilter als Multiplikation anstelle einer Faltung im Zeitbereich implementiert wird, was im allgemeinen die Verarbeitung verringert. Zusätzlich werden ohne zusätzliche Verarbeitung Entzerrungs- und Kombinierungsgewichte implementiert.
• 2 zeigt die Filterung und Entzerrung der Frequenzbereichsdaten mit K Kanälen. 2a zeigt das Frequenzspektrum des Empfangssignals X_i(N) für K Kanäle, und 2b zeigt die Filter- und Entzerrerkoeffizienten. In 2c wird das sich ergebende gewichtete Frequenzspektrum Y_i(n) dargestellt. In diesen Figuren stellen die Punkte die Frequenzspektrum-Abtastwerte dar, mit L Abtastwerten für jeden der K Kanäle.
• Die Ausgaben der M Multiplikatoren Y_i(n), i = 1, ..., M werden an die Digitalsignal-Verarbeitungsschaltungen weitergegeben, wo die Signale im Summierer 112 summiert werden. Die Summiererausgabe Z(n) ist das Kurzzeit-Frequenzspektrum der Ausgangssignale.
• Die Trennung der einzelnen Kanäle und Umwandlung in den Zeitbereich nutzt die Tatsache, das jeder Kanal in der Summiererausgabe Z(n) über die diesem Kanal entsprechenden n dargestellt wird, d. h. Z(1) bis Z(L) ist das Frequenzspektrum des Kanals 1, Z(L + 1) bis Z(2L) ist das Frequenzspektrum von Kanal 2 usw. Um daher jeden Kanal zu trennen und in den Zeitbereich umzuwandeln, verteilt der Kommutator 113 die Z(n), n = 1, ..., 2N zu einer Bank von Rück-FFT-Moduln 114-1 bis 114-K zum Erzeugen der Ausgangssignalabtastwerte b₁(m) bis b_k(m), einen für jeden der K Kanäle. Das heißt Z(1) bis Z(L) wird zum Modul 114-1 gesendet, Z(L + 1) bis Z(2L) wird zum Modul 114-2 gesendet, und so weiter. Die Datendetektoren 115-1 bis 115-K bestimmen die empfangenen Datensymbole a₁(m) bis a_K(m) entsprechend den empfangenen Signalabtastwerten. Diese Datensymbole werden unter Verwendung der Leitungen 116-1 bis 116-K in das Telefonnetz gesendet. Es ist zu beachten, daß, da die FFT zur Transformation des Signals anstelle von linearer Faltung zirkulare Faltung benutzt, der Prozessor 2N Abtastwerte aus dem A/D-Wandler zur Erzeugung von N/K Symbolen pro Kanal auf Leitungen 117-1 bis 117-K benutzen muß, wie in Adaptive Filters, C. F. N. Cowan und P. M. Grant, Prentice-Hall, Inc. 1985, Seiten 177–179, erwähnt.
• Als nächstes betrachte man die Erzeugung von Gewichten H₁(n) bis H_M(n). Diese Gewichte sind das Produkt der Empfangsfiltergewichte H_A(n) und der Entzerrergewichte der adaptiven Antennengruppe H_Egi(n), i = 1, ..., M. Die Empfangsfiltergewichte sind fest und periodisch (K-fach), da die Filtergewichte für jeden Kanal wiederholt werden. Die Entzerrergewichte können im Zeitbereich oder im Frequenzbereich berechnet werden – es sind beide Verfahren untersucht worden. Beispielsweise läßt sich Verarbeitung im Zeitbereich unter Verwendung der LMS- oder DMI-Algorithmen, wie in Introduction to Adaptive Arrays (Einführung in adaptive Antennengruppen), R. A. Monzingo und T. W. Miller, John Wiley and Sons, New York, 1980, Seiten 162–166 beschrieben, durchführen, und die Gewichte können unter Verwendung einer FFT in den Frequenzbereich umgewandelt werden. Erzeugung von Gewichten im Frequenzbereich könnte jedoch bevorzugt werden, da Spektren für die Empfänger- und Kombinierer-Ausgangssignale im Frequenzbereich verfügbar sind und die berechneten Gewichte im Frequenzbereich liegen müssen. Ein Verfahren für die Berechnung von Gewichten im Frequenzbereich wird in Adaptive Filters, Id. auf Seiten 152–157 beschrieben. Dieses Verfahren erfordert sowohl Empfangsdaten im Frequenzbereich X_i(n), i = 1, ..., M und die Ausgangsdaten im Zeitbereich b_j(n), j = 1, ..., K. Diese bevorzugte Ausführungsform ist in 1 dargestellt, wo die Gewichtserzeugungsschaltungen 117 Empfangsdaten im Frequenzbereich auf Eingangsleitungen 118-1 bis 118-M und Ausgangsdaten im Zeitbereich auf Leitungen 119-1 bis 119-K benutzen, um die auf Ausgangsleitungen 120-1 bis 120-M benutzten Gewichte für die jeweiligen Multiplikatormoduln 111-1 bis 111-M zu erzeugen.
• Was beschrieben worden ist, wird als beispielhaft für die Grundsätze der vorliegenden Erfindung erachtet. Der Fachmann kann weitere und andere Abänderungen ausführen. Es versteht sich, daß beispielsweise das Ausführungsbeispiel am besten für Digitalsysteme mit Frequenzmultiplex (FDM – frequency division multiplexing), wie bei IS-54 benutzt, geeignet ist. Mit nur einer Abänderung in der Software kann jedoch dieselbe Schaltung mit analogen FM-Signalen wie beispielsweise AMPS benutzt werden, indem der Detektor zum Erzeugen der analogen FM-Signale aus den Abtastwerten im Frequenzbereich benutzt wird. Bei CDMA kann das Verfahren zum Implementieren des RAKE-Empfängers im Frequenzbereich benutzt werden. Bei dem RAKE-Empfänger im Zeitbereich wird das Empfangssignal mit zeitlich versetzten Versionen des Spreizspektrumcodes korreliert. Bei dem vorliegenden Verfahren werden die Korrelationen durch Multiplikationen im Frequenzbereich durchgeführt, wodurch die Kompliziertheit der Digitalsignalverarbeitung verringert wird. Auch läßt sich das Verfahren sowohl für die Übertragung als auch den Empfang wie oben beschrieben benutzen. In diesem Fall werden die Vorgänge der 1 umgekehrt. Die Daten von mehreren Kanälen werden durch die Digitalsignalverarbeitungsschaltungen verarbeitet, wo sie codiert und in den Frequenzbereich umgewandelt werden, und die Daten im Frequenzbereich für alle Kanäle werden kombiniert und für jede Antenne gewichtet und in den Zeitbereich umgewandelt. Die Zeitbereichsdaten werden D/A-umgewandelt, und die Analogsignale werden durch Antennen 101-1 bis 101-M unter Verwendung von Breitbandsendern übertragen. Zusätzlich ist das vorliegende Verfahren auf jedes drahtlose Punkt-zu-Mehrpunkt-System wie beispielsweise persönliche Kommunikationssysteme anwendbar.

Claims (4)

1. System mit einer Mehrzahl von Raum-Diversity-Antennen (101-1, 101-M) zum Empfangen von Funksignalen von einer Mehrzahl von entfernten Stationen unter Verwendung von K-Kanälen und jeweils einem Breitbandempfänger (102-1, 102-M) für jede der Antennen zum Empfangen von Signalen von mehreren der entfernten Stationen, einem Analog-Digital-Wandler (103-1, ..., 103-M) zum Umwandeln der Empfängersignale in digitalisierte Abtastwerte, Mitteln (104-1, ..., 104-M) zum Umwandeln von Blöcken von 2N der digitalisierten Abtastwerte in Signale im Frequenzbereich und Mitteln (117, 118) zum Wichten der Signale im Frequenzbereich in gewichtete Signale im Frequenzbereich und Mitteln zum Summieren (112) der Signale im Frequenzbereich und gekennzeichnet durch: eine Gruppe von K Rücktransformationsmodulen (114-1; 114-K) und Mitteln mit einem Kommutator (113) zum Verteilen der Ausgabe der Mittel zum Summieren Z(n), wobei n = 1, ..., 2N, unter den K Rücktransformationsmodulen (114-1; 114-K), so daß Z(1) bis Z(L) zu einem ersten Modul für den ersten Kanal, Z(L + 1) bis Z(2L) zum zweiten Modul für den zweiten Kanal und so fort gesendet werden, wobei L die Anzahl von Abtastwerten in jedem Kanal ist und K*L gleich 2N ist.
2. System nach Anspruch 1, wobei die Transformationsmoduln Fourier-Transformationsmoduln sind und die Rücktransformationsmoduln Fourier-Rücktransformationsmoduln sind.
3. System nach Anspruch 2, wobei die Wichtungsmoduln die Signale im Frequenzbereich filtern.
4. System nach Anspruch 2 mit auf die Ausgaben der Rücktransformationsmoduln reagierenden Mitteln zum Einstellen der Wichtungsmoduln.