DE69518214T2

DE69518214T2 - Verfahren zur Behandlung periodischer Signale

Info

Publication number: DE69518214T2
Application number: DE69518214T
Authority: DE
Inventors: Bo Gustaf Granstam; Olle Anders Gustav Hedman
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1995-12-05
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2015-12-06
Also published as: DE69518214D1; JPH08262127A; SE503786C2; US5646628A; EP0716316A1; EP0716316B1; SE9404278L

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Zeitposition eines periodisch wiederkehrenden Signals.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Beispielsweise auf den technischen Gebieten der Kommunikation und des Radars ergibt sich häufig die Notwendigkeit die Zeitposition eines periodisch wiederkehrenden Signals, das einen Rauschbeitrag hat, zu bestimmen. Das periodische Signal ist z. B. eine Radarabtastung von 360º, siehe Fig. 1, wobei sich in einer bestimmten Richtung Ω ein Zielecho (10) befindet und in anderen Richtungen Störechos (11). In solchen Fällen ist es höchst wünschenswert, in der Lage zu sein, die Richtung des Zielechos (10) trotz der Einflüsse von Störungen (11) zu bestimmen.
In einem Kommunikationssignal kann der gesuchte Gegenstand ein periodisch wiederkehrendes Synchronisationswort sein.
Die Mobiltelephonie ist ein Gebiet unter vielen, bei welchem es möglich ist Kommunikationssignale verschiedener Art zu finden. Um in der Lage zu sein, verschiedene Übertragungsmedien in der kompletten Übertragungskette innerhalb der Mobiltelephonie mit ihrer vollen Kapazität zu nutzen, werden häufig Zeitmultiplexsignale verwendet. Dies liegt daran, dass die Übertragungskapazität eines Übertragungsmediums oft größer ist als die Datenmenge, die ein einzelnes Mobiltelefon erzeugen oder empfangen kann. Der Zeitmultiplex erfordert, dass ein Sender und ein Empfänger synchronisiert sind, so dass ein Mobiltelefon nicht in den Zeitschlitz eines anderen sendet bzw. aus diesem empfängt, da dies zu unüberwindbaren Problemen führen würde. Um einen Sender und einen Empfänger zu synchronisieren, werden häufig Synchronisationsworte verwendet, welche mit einer bestimmten Periodizität wiederkehren, welche von der besonderen Anwendung abhängt. Synchronisationsworte können aus allem möglichen bestehen, von einzelnen Bits oder Pulsen über Symbole bis zu größeren Synchronisationsworten mit einer Vielzahl von Symbolen.
Unter normalen Bedingungen sind ein Sender und ein Empfänger gut synchronisiert, und man benötigt nur eine einfache Verfolgungsfunktion bzw. Tracking-Funktion, z. B. in der Form eines Verfolgungsfensters, das die genaue Position des Synchronisationsworts findet, um somit sicherzustellen, dass die komplette Übertragungskette synchronisiert ist. Unter bestimmten Bedingungen ist es möglich, dass man die Synchronisation in solchem Maß verliert, dass ein Verfolgungsfenster nicht länger in der Lage ist die Position der Synchronisationsworte zu finden. In solch einer Situation können Reflexionen des Signals auftreten, was die Möglichkeiten, das korrekte Synchronisationswort zu finden, weiter verschlechtert. Die Synchronisation in der Übertragungskette geht verloren, und eine Übertragung von Information wird in solchen Fällen vollkommen unmöglich. Solche Situationen können z. B. auftreten wenn eine Änderung der Basisstation bewirkt wird, d. h. ein Übergang von einer Basisstation, bei welcher die Synchronisation besteht, auf eine andere Basisstation.
Normalerweise ist es möglich die Zeitposition des Signals zu finden, indem ein Fenster um das Gebiet geschaffen wird, wo das Signal erwartet wird. Beim Radar ist jedoch nicht bekannt, wo das Signal erwartet werden kann, und bei einem Kommunikationssignal ist dies schwer, wenn die Synchronisationsworte verloren gehen, d. h. wenn die Synchronisation verloren geht.
Ein Weg beim Radar Ziele von Störungen zu trennen, wird im amerikanischen Patent US-4,649,394 beschrieben. Es beschreibt ein Verfahren, das unterschiedliche, geeignete Schwellen bestimmt, durch Schaffung unterschiedlicher Mittelwerte von Signalen in dem Gebiet des Ziels, um somit in der Lage zu sein, Ziele von Störungen zu trennen. Dieses Verfahren beschreibt nicht wie die Zeitposition von beliebigen zyklischen Funktionen zu bestimmen ist, und das Verfahren scheint nicht in irgend einem anderen Gebiet, als dem Radargebiet geeignet zu sein.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung ist somit die Schaffung eines Verfahrens, welches auf einfache Weise das Problem der Zeitpositionsbestimmung eines beliebigen periodischen Signals bzw. einer beliebigen periodischen Funktion löst, ohne die Notwendigkeit komplexe arithmetische Operationen auszuführen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit welchem es innerhalb des Kommunikationsgebiets möglich ist, auf einfache Weise die Position von Synchronisationsworten in einem periodischen Signal zu bestimmen, um somit die Synchronisation zwischen einem Sender und einem Empfänger wiederherzustellen, um in der Lage zu sein, Informationen auf zuverlässige Weise zu übertragen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens mit welchem es möglich ist, unabhängig von der Bestimmung zu sein, und unterschiedliche Schwellwerte zu benutzen.
Diese Aufgaben werden gelöst mittels eines Verfahrens nach der Erfindung, durch Speicherung von Werten in einem Puffer. Diese Werte können entweder durch Signalwerte/Erfassungen gebildet werden, welche einer Schwelle unterworfen wurden, z. B. aus einem Radarempfänger, oder Erfassungen, z. B. aus einem Korrelator. Die Größe des Puffers entspricht einer Periode des gesuchten Signals. Eine Nullposition wird im Puffer an einem Ort mit niedrigem/wenigen oder keinen Signalwerten/Erfassungen definiert. Ausgehend von dieser Nullposition wird in dem Puffer bezüglich der Signalwerte/Erfassungen in dem Puffer eine Mittelposition bestimmt. Diese Mittelposition bildet eine Position, ausgehend von welcher die Zeitposition des Signals mit größerer Wahrscheinlichkeit bestimmt wird. Dies geschieht mit Hilfe einer gewichteten Mittelwertbildung um die Mittelposition, wobei der gewichtete Mittelwert eine Verschiebung aus der Mittelposition bildet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird ausführlicher im folgenden beschrieben, unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen, zum Zwecke der Beschreibung und nicht der Beschränkung, wobei:
Fig. 1 eine Radarabtastung von 360º veranschaulicht;
Fig. 2 einen Speicherpuffer veranschaulicht, der k Zellen mit einer kombinierten/integrierten Signalamplitude umfasst.
Fig. 3 veranschaulicht einen Speicherpuffer nach der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines periodisch wiederkehrenden Signals mit einer Signalstärke, wobei die Positionsbestimmung in einer Vielzahl von Schritten ausgeführt wird. Als erstes werden die Werte, welche mit dem periodischen Signal in Beziehung stehen, während einer Vielzahl von Perioden in einem Puffer kombiniert. Danach wird ein Bereich mit den niedrigsten kombinierten Werten in dem Puffer erfasst, für die Bestimmung einer Nullposition. Eine Mittelposition wird unter Bezugnahme auf die Nullposition bestimmt, und danach wird die Position des periodischen Signals mit Hilfe der bestimmten Mittelposition bestimmt.
Um das erfindungsgemäße Verfahren klarer darzustellen, wird eine Vielzahl von Beispielen ihrer Anwendung im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben.
Eine erstes Beispiel zeigt wie die Positionsbestimmung von Synchronisationsworten in einem Mobiltelephonie-Beispiel gemäß dem Verfahren nach der Erfindung durchgeführt wird. Dies geschieht durch Verwendung eines Puffers. Dieser Puffer hat eine Größe, welche einer Periode des periodischen Signals mit den Synchronisationsworten entspricht, und umfasst eine Vielzahl von Zellen, wobei die Zahl an Zellen die Positionsauflösung bestimmt. Die Ergebnisse aus einem Korrelator werden in diesen Zellen während einer Vielzahl von Perioden kombiniert. Dieser Korrelator führt z. B. eine Bitfür-Bit-Korrelation des empfangenen Signals durch, welches die Synchronisationsworte umfasst, mit einem Referenz- Synchronisationswort. Es ist z. B. möglich nur die Zeitposition, die der Korrelator als höchste Wahrscheinlichkeit für die Position des Synchronisationsworts anzeigt, zu nehmen, und diese Angabe/Erfassung an einem entsprechendem Ort im Puffer zu kombinieren.
Nach einer Anzahl von Perioden des Kombinierens wird eine Nullposition in dem Puffer an einem Ort/an einer Zeitposition definiert, die keine oder wenige Kombinationen/Erfassungen hat. Unter Bezugnahme auf diese Nullposition wird eine Mittelposition in dem Puffer bestimmt, mit der Hilfe von allen Werten/Erfassungen in dem Puffer. Das heißt eine Position, wo die Summe aller Werte/Erfassungen in den Zellen von der definierten Nullposition zu der Position gleich ist wie die Summe der Werte/Erfassungen in den verbleibenden Zellen. Diese Mittelposition befindet sich unter bestimmten Bedingungen innerhalb eines Gebiets, innerhalb von welchem die Synchronisationsworte auftreten.
Um in der Lage zu sein eine Position zu bestimmen, welche eine höhere Wahrscheinlichkeit hat, genau zu sein, und um später in der Lage zu sein, die Synchronisationsworte zu verfolgen, wird eine Korrektur aus der Mittelposition bestimmt. Diese Korrektur wird als ein gewichteter Mittelwert der Signalwerte/Erfassungen in den Zellen um die bestimmte Mittelposition bestimmt.
Die spätere Verfolgung der Zeitposition von Synchronisationsworten im periodischen Signal ist nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
Ein zweites Beispiel beschreibt wie Zieldaten in einem Radarsystem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lokalisiert werden können. Gewöhnlich werden periodisch wiederkehrende elektrische Signale aus einem Radarempfänger erhalten, wie aus einem Korrelator. Diese gehen z. B. aus einer Radarabtastung von 360º hervor, siehe Fig. 1, wobei sich in einer bestimmten Richtung ein Zielecho (10) befindet, dessen Position bestimmt werden soll. Die Signale könnten genauso gut optisch oder von anderer Art sein. Signale in einer Radarstation werden in den meisten Fällen einem Schwellwert unterworfen, d. h. nur Signale, deren Signalstärke einen bestimmten Pegel überschreitet, werden akzeptiert. Da das Signal periodisch ist, wird eine Anzahl von Perioden in einem Puffer integriert/kombiniert, der eine Größe hat, die einer Periode entspricht, um ein besseres Signal/Rauschverhältnis zu erzielen. Das Resultat der Integration/Kombination wird in Fig. 2 veranschaulicht, welche ein Beispiel des Inhalts des Puffers (21) mit dem gesuchten Signal (22) nach der Integration/Kombination zeigt, wobei die Y-Achse die kombinierte/integrierte Signalamplitude darstellt. Jede Position in dem Puffer (21) entspricht der verfügbaren Auflösung und kann bei einer Radaranwendung Winkelelementen oder Abstandselementen entsprechen, und im Kommunikationsfall auch Zeitelementen.
In Fig. 2 umfasst der Puffer (21) k Positionen/Zellen, welche der Periode des Signals entsprechen. Gewöhnlich ist der Puffer ein sogenannter Kreispuffer oder eine verknüpfte Liste (linked list), die z. B. nach Positionen angeordnet ist. Die Werte im Puffer können ganzzahlig sein und können z. B. als eine Zahl von Schwellwertkreuzungen (Erfassungen) an einer bestimmten Position während einer bestimmten Integrationszeit angesehen werden. Es ist selbstverständlich möglich den Puffer auf unterschiedliche Arten aufzubauen; er kann z. B. digital oder analog sein, oder eine Mischung aus analog und digital. Letzteres kann z. B. mit Hilfe einer CCD-Speichers geschaffen werden (CCD = charge coupled device, d. h. ladungsgekoppelte Vorrichtung). Der Entwurf des Puffers hängt teilweise von der Art der zu behandelnden Signale ab, und teilweise von der verfügbaren und kommerziell vertriebenen Technologie. Wenn der Puffer von vollständig digitaler Art ist, dann können alle Integrationen selbstverständlich als Summierung verwirklicht werden. Dies erleichtert die notwendigen Berechnungen, welche durchgeführt werden müssen, und diese können in solchen Fällen mit Hilfe von einfachen digitalen Schaltungslösungen durchgeführt werden. Die konventionellen Synchronisationsverfahren sind mit einfacher digitaler Hardware oft schwer zu verwirklichen. In einem flexibleren System können diese Berechnungen mit der Hilfe von Computertechnologie durchgeführt werden, z. B. in Form eines digitalen Signalprozessors, welcher auf geeignete Weise verknüpfte Listen verwendet, um die Werte zu speichern, welche das periodische Signal darstellen.
Unter der Annahme, dass die integrierten/kombinierten Signalwerte/Erfassungen sich in den Zellen des Puffers befinden, umfasst das Verfahren dann die folgenden Schritte, wobei auf Fig. 3 Bezug genommen wird, wobei die Y-Achse (30) die kombinierte/integrierte Signalamplitude in dem Speicherpuffer (31) darstellt:
in einem ersten Schritt wird ein Bereich bzw. Gebiet (34) gesucht, das sich nicht innerhalb des Ausdehnungsbereichs des gewünschten Signals befindet. Dies ist ein Gebiet mit wenigen oder keinen Signalwerten/Erfassungen. Irgendwo innerhalb dieses Gebietes wird eine Nullposition (35) definiert. Diese Operation löst das Problem, das auftreten kann, wenn das gewünschte Signal (32) sich um die Null befindet und/oder um die (k-1)-Position in dem Puffer, welche hohe Signalwerte (viele Erfassungen) in beiden Enden des Speicherpuffers ergibt. Dies könnte den zweiten Schritt auf negative Weise beeinflussen.
In einem zweiten Schritt wird die Mittelposition (36) unter Bezugnahme auf die definierte Nullposition bestimmt, d. h. die Mittelposition ist die vorwärts in dem Puffer liegende Position, bei welcher die laufende Summierung der Signalwerte/Erfassungen in dem Puffer gleich ist wie die Hälfte der Gesamtsumme aller Signalwerte/Erfassungen in dem Puffer. Wenn der vorangegangene Schritt, welcher die Nullposition (35) definiert, nicht existieren würde, dann könnten Probleme auftauchen, wenn das gewünschte Signal (32) sich um die Enden des Speicherpuffers befinden würde. Dies würde dann zu hohen Signalwerten (viele Erfassungen) an beiden Enden führen. Dies könnte in solchen Fällen diesen Schritt beeinflussen, so dass die Mittelposition irgendwo in der Mitte des Puffers bestimmt wird. Bei einer Radaranwendung, bei welcher die Länge des Puffers einer 360º-Abtastung entsprechen kann, bedeutet dies einen Fehler von bis zu 180º.
In einem dritten und letzten Schritt wird die Genauigkeit mittels einer gewichteten Mittelwertbildung bezüglich der Mittelposition (36) verbessert, welche z. B. in einem Bereich durchgeführt wird, der der erwarteten Ausdehnung (33) des Signals entspricht. Dieser Wert bildet eine Verschiebung gegenüber der Mittelposition (36), wobei die Zeitposition des nützlichen Signals genauer bestimmt werden kann, indem diese Verschiebung zur Mittelposition hinzuaddiert wird. Die Verschiebung kann sowohl positiv als auch negativ sein. Diese Verschiebung kann z. B. auf die folgende Weise bestimmt werden:
Dabei ist k die erwartete Ausdehnung des Signals, ausgedrückt in einer Anzahl von Zellen, Vi sind die kombinierten Signalwerte an der i-ten Position im Puffer, m ist die Position des Mittelorts im Puffer, und i, j, l sind Summierungsvariablen.
Dieses Grundverfahren funktioniert, wenn das gewünschte Nutzsignal zu zumindest der Hälfte der kombinierten Signalwerte/Erfassungen innerhalb des vollständigen Puffers führt. Wenn dies nicht der Fall ist, kann es geschehen, dass die Mittelposition (36) im zweiten Schritt außerhalb des Ausdehnungsbereichs des gewünschten Signals zu liegen kommt. Dies führt dazu, dass sich im folgenden Schritt nicht die korrekte Lösung ergibt.
Eine Weiterentwicklung der Erfindungsidee besteht darin, die Gesamtsumme der Signalwerte/Erfassungen in dem Puffer durch N zu dividieren, wobei N = 2, 3, 4 ... n, d. h. eine ganze Zahl größer als 1 ist, in der zweiten Stufe. Zum Beispiel bei N = 3 ergeben sich zwei Positionen im Puffer als Kandidaten für die Position des Nutzsignals. Aus diesen zwei wird die Position gewählt, bei welcher das Ergebnis einer Summierung/Integrierung der Signalwerte/Erfassungen um die jeweilige Position innerhalb eines Gebiets, welches dem erwarteten Ausdehnungsgebiets des Signals entspricht, am größten ist.
Dieses erweiterte Verfahren erfordert, dass das gewünschte Nutzsignal den einzelnen größten kombinierten Wert der kombinierten Signalwerte/Erfassungen ergibt.
Bei der beschriebenen Ausführung werden digitalisierte und zeitlich diskrete Signale verwendet, es können aber auch selbstverständlich zeitlich kontinuierliche Analogsignale verarbeitet werden. In solchen Fällen ist es selbstverständlich notwendig entsprechende analoge Berechnungsverfahren zu verwenden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Zeitposition eines periodisch wiederkehrenden Signals, das eine Signalstärke hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung mit den folgenden Schritten durchgeführt wird:

- Kombinieren von Werten (32) während einer Vielzahl von Perioden in einem Puffer (31), welche Werte in Beziehung stehen mit der Signalstärke des periodischen Signals,

- Erfassen eines Gebiets (34) in dem Puffer mit den niedrigsten kombinierten Werten,

- Bestimmen einer Nullposition (35) in dem erfassten Gebiet in dem Puffer,

- Bestimmen einer Mittelposition (36) in dem Puffer mit den kombinierten Werten beginnend ab der bestimmten Nullposition in dem Puffer, und

- Bestimmen der Position des periodischen Signals mit Hilfe der bestimmten Mittelposition.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Puffer (31) einen Kreispuffer umfasst, mit einer Größe, die einer Periode des periodischen Signals entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Mittelposition (36) als die Position bestimmt wird, bei welcher das Integral der kombinierten Werte aus der bestimmten Nullposition (35) gleich der Hälfte des Integrals der kombinierten Werte des Puffers (31) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Mittelposition (36) dadurch geschieht, dass zunächst N-1 Positionen bestimmt werden, wobei N eine ganze Zahl größer als 2 ist, wobei das Integral der kombinierten Werte aus der bestimmten Nullposition (35) zu diesen N-1 Positionen gleich Vielfachen eines N-ten Teils des Integrals der kombinierten Werte über den gesamten Puffer (31) ist, und danach unter diesen N-1 Positionen die Position gewählt wird, um welche das Integral der kombinierten Werte innerhalb eines Bereichs, der der erwarteten Ausdehnung (33) des Signals entspricht, am größten ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Position des periodischen Signals dadurch bestimmt wird, dass eine Verschiebung zur Mittelposition (36) hinzuaddiert wird, wobei diese Verschiebung als gewichteter Mittelwert bezüglich der Mittelposition bestimmt wird, und die Verschiebung bewirkt wird gegenüber den kombinierten Werten in einem Bereich, der der erwarteten Ausdehnung (33) des Signals um die Mittelposition entspricht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Puffer eine Vielzahl von diskreten Positionen umfasst.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombinieren der Werte, die mit dem periodischen Signal (32) in Beziehung stehen, an jeder Position in dem Puffer (31) als eine Summierung der Zahl von Erfassungen, die sich in einer entsprechenden Position befinden, über eine Vielzahl von Perioden des periodischen Signals durchgeführt wird, wodurch eine Erfassung an einer Position in einer Periode existiert, wenn der Wert, der mit dem periodischen Signal in Beziehung steht, an der entsprechenden Position einen bestimmten Schwellwert überschreitet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Integrale als Summierungen der kombinierten Werte bestimmten werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Signal ein Zielecho ist, das aus einer Radarabtastung hervorgeht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Signal ein Synchronisationswort in einem Kommunikationssignal ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte, welche kombiniert werden, aus einem Korrelator hervorgehen, welcher das periodische Synchronisationswort mit einem Referenz-Synchronisationswort korreliert.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte, welche aus dem Korrelator hervorgehen, anzeigen wie gut die Korrelation ist.