DE69615769T2

DE69615769T2 - Verfahren zur Signalqualitätsschätzung für Direktsequenzspreizspektrumempfänger

Info

Publication number: DE69615769T2
Application number: DE69615769T
Authority: DE
Inventors: Carl Andren; Perry W. Frogge; Leonard V. Lucas; James Snell
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1996-07-30
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2016-07-31
Also published as: DE69615769D1; EP0757461A2; US5732105A; JPH09162940A; EP0757461B1; EP0757461A3

Description

Die Erfindung betrifft Demodulatoren für Funkempfänger und insbesondere einen Demodulator für differentielle Phasenumtastung (DPSK) für einen Direktsequenzspreizspektrumempfänger, in welchem die Signalgüteabschätzung eine Nur-Phasenverarbeitung umfaßt.
Der Entwurf für Demodulatoren für differentielle binäre Phasenumtastung (DBPSK) und differentielle Quadernär-Phasenumtastung (DQPSK) umfaßt typischerweise einen Kompromiß zwischen Schaltungskomplexität und Arbeitsleistung. Im speziellen kann die Signalgüteabschätzung im Demodulator für die Einstellung des Leistungsfähigkeitsniveaus des Demodulators benutzt werden, wobei mit generöserer Genauigkeit der Signalgüteabschätzung die Leistung des Demodulators verbessert wird. Zusätzlich kann die Signalgüte im Erfassungsentscheidungsprozess Verwendung finden. Je genauer die Signalgüteabschätzung ist, um so genauer kann der Entscheidungspunkt eingestellt werden, um das Verhältnis der Wahrscheinlichkeit einer (korrekten) Erfassung zu der Wahrscheinlichkeit eines Fehleralarms zu optimieren. Die Schaltung im Demodulator für die Bereitstellung der Signalgüteabschätzung steigt jedoch bezüglich ihrer Komplexität und Größe mit der Genauigkeit der verbesserten Signalgüteabschätzung an. Dadurch wird die Größe und die Komplexität des Demodulators in unerwünschterweise mit zunehmender Leistung beeinflußt.
Eine typische von einem DPSK-Empfänger empfangene Datenübertragung enthält ein Datensignal, dem eine Präambel vorausgeht. Es wird erwartet, daß der Empfänger die Präambel erfaßt, bevor versucht wird, das folgende Datensignal zu demodulieren. Die Signalgüteabschätzung wird dazu benutzt, verschiedene Demodulatoreigenschaften zu benutzen und wird erstmals während der Präambel festgelegt und während dem Datensignal auf neuen Stand gebracht. Im Stand der Technik sind die Signalqualitätsabschätzungen typischerweise Bit-Sync-Amplituden, welche von den Korrelatoren abgeleitet werden, die die I- und Q-Komponenten der eingangsseitigen Symbolfolge empfangen (die Bezeichnung Symbol wird dabei dazu benutzt, um auf die Einheiten hinzuweisen, die im Präambelformat Verwendung finden, z. B. das Spreizsprektrum BPSK oder im Datensignalformat z. B. DBPSK oder DQPSK). Die Bit-Sync-Amplituden liefern ein unvollständiges Bild der Signalqualität, z. B. geben sie keine Phasenbeziehungen direkt an.
Aus der US-PS-4,789,948 ist eine Einrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Empfängerdatensatzes bekannt, wobei der Datensatz die Eingangssignalamplitude, das Geräuschniveau, die Trägerleistung zur Rauschleistungsdichte usw. umfaßt. Dieser Datensatz wird an eine Basisstation zur Leistungsbewertung des Empfängers im Satellit gesendet.
Das Verfahren zum Abschätzen der Signalqualität in einem DPSK-Demodulator, der eingangsseitig eine Folge von Symbolen empfängt, umfaßt die Verfahrensschritte:
a) Umsetzen der Symbole in eine Betrags- und Phasengröße;
b) Abtasten eines Nur-Phasenanteils von jedem der Symbole der eingangsseitigen Symbolfolge;
c) Bestimmen eines Phasenfehlers für jede Abtastung und
d) Bestimmen einer Signalqualitäts-1-Abschätzung aus einer Vielzahl von Abtastphasenfehlern, wobei der Verfahrensschritt c) den Nur-Phasenanteil der Polarkoordinatenform an eine Phasenregelschleife bereitstellt, um den Phasenfehler für jede Probe zu bestimmen. Die Phasenregelschleife wird mit einer Versatzfrequenz als Anfangsbedingung zur Beschleunigung der Phasenfixierung versorgt, wobei die Versatzfrequenz während der Signalerfassung durch Mittelwertbildung der Phasendrehung von Symbol zu Symbol gewertet wird.
Die Signalqualitätsabschätzung ist eine Mittelwertgröße einer vorgegebenen Anzahl von abgetasteten Phasenfehlern, vorzugsweise in einem Block der Symbole, welche von einer ersten Antenne empfangen werden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Signalqualitätsabschätzung in einem Funkempfänger, der die Vorteile der Nur-Phasenverarbeitung benutzt und zur Schaffung eines Verfahrens zur Signalqualitätsabschätzung in einem DPSK-Demodulator dient, in welchem der Nur-Phasenanteil der eingangsseitigen Symbole abgetastet werden, so daß ein Phasenfehler für jedes Symbol bestimmt werden kann.
Ein weiteres Ziel besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung der Signalqualitätsabschätzung in einem DPSK-Demodulator zu schaffen, in welchem von einer Vielzahl von Abtastungen der Nur-Phasenanteile der Eingangssignale abgeleitete Phasenfehler als Signalqualitätsabschätzung benutzt werden und bei welchem jedes Symbol in einer Symbolfolge einmal abgetastet und in Polarkoordinatenform umgewandelt wird, in welcher ein Phasenfehler für jede Abtastung unter Benutzung des Nur-Phasenanteils der Polarkoordinatenform bestimmt wird. Dabei ist die Signalqualitätsabschätzung ein mittlere Größe einer vorbestimmten Anzahl von Abtastphasenfehlern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, wobei auf eine aus einer Figur bestehende Zeichnung Bezug genommen wird, die ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Demodulators darstellt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für die Abschätzung der Signalqualität in einem eingangsseitig eine Symbolfolge empfangenden Funkdemodulator kann umfassen:
Schritte zum Abtasten eines Nur-Phasenanteils vor jedem der Symbole der eingangsseitigen Symbolfolge,
eine Bestimmung des Phasenfehlers für jede Abtastung des Nur-Phasenanteils und
eine Rechenvorrichtung zum Ermitteln der Signalqualitätsabschätzung für eine Vielzahl von Phasenfehlerproben. Die eingangsseitige Signalfolge können Symbole in der Präambel oder Symbole im Datensignal wie folgend sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die eingangsseitige Symbolfolge von I- und Q-Komponenten gebildet, wobei die I- und Q-Komponenten für jedes Symbol miteinander verbunden sind. Diese miteinander kombinierter I- und Q-Komponenten eines jeden Symbols können mit einer Abtastrate von einer Abtastung pro Symbol erfaßt werden. Die Abtastungen werden in eine Form umgewandelt, die die Amplitude und die Phase voneinander separieren, wie z. B. Polarkoordinaten. Der Nur- Phasenanteil der Polarkoordinaten kann an eine Phasenregelschleife angelegt werden, um den Phasenfehler für jede Abtastung zu bestimmen. Danach kann die Signalqualität abgeschätzt werden, indem die mittlere Amplitude einer Vielzahl der Phasenfehlerabtastungen errechnet wird.
In dem Zeitraum, während welchem das Signal noch erfaßt wird, d.h. die Präambel noch empfangen wird, kann die mittlere Amplitude die Phasenfehlerproben in einem Block der Symbole der von der Antenne empfangenen Präambel enthalten. Wenn mehr als eine Antenne vorhanden ist, kann die Signalqualitätsabschätzung für jede Antenne durch die Verwendung aufeinanderfolgender Symbolblöcke von der Präambel erfaßt werden. Sobald das Signal empfangen und die Daten demoduliert sind, ergibt sich die Signalqualitätsabschätzung aus der mittleren Amplitude einer bestimmten Anzahl von Phasenfehlerproben z. B. der mittleren Amplitude von Phasenfehlerproben aus 128 Datensymbolen.
Die Benutzung der Phasenfehler liefert eine sehr robuste Signalqualitätsabschätzung, selbst wenn das Eingangssignal schwach ist, da die Phasenfehler nicht von der Signalamplitude abhängen. Im übrigen ist die Umsetzung des Nur-Phasenanteils für die restliche Demodulationsfunktion von Vorteil. Zum Beispiel sind die Proben reelle Zahlen, im Gegensatz zu komplexen Zahlen, so daß die Phasendrehung des Trägers durch einfache Addition und nicht durch eine komplexe Multiplikation kompensiert werden kann. Die Entscheidungsstruktur für die Entfernung der DBPSK/DQPSK- Modulation erfordert nur ADD's und keine Komparatoren bzw. komplizierte Logik.
In einer weiteren Ausführungsform wird die mittlere Phase einer bestimmten Anzahl von Symbolen durch den Nur-Phasenanteil der Symbole bestimmt. Diese mittlere Phase kann einer Phasenregelschleife zur Beseitigung der Versatzfrequenzen zugeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der mittlere Nur-Amplitudenanteil der Polarkoordinaten der Symbole (auch als Bit-Sync-Amplitude bezeichnet) als weitere Signalqualitätsabschätzung vorgesehen sein. Die Symbole in einem empfangenen Signal werden einem Demodulator 10 für die Verarbeitung zugeführt. Die I- und Q-Komponenten können über Analog-Digital-Wandler 12 und 14 Korrelatoren 16 und 18 zugeführt werden, um die Symbolspreizfrequenz zu beseitigen. Die Ausgangssignale der Korrelatoren 16 und 18 können miteinander verbunden und aus kartesischen Koordinaten in Polarkoordinaten im Wandler 20 umgeformt werden. Die Signalfolge vom Wandler 20 kann in einer Schaltung 38 auf die Symbolrate dezimiert und die Phase in einer Schaltung 40 bzgl. der Frequenzversetzung korrigiert werden, bevor die PSK-Demodulation im Demodulator 22 erfolgt. Die Phasenfehler vom Demodulator 22 werden in einem numerisch gesteuerten Oszillator 24 über ein Vor/Nacheilfilter 26 eingespeist, um in der Phasenregelschleife 27 die Phase festzuhalten.
Der Frequenzversatz wird während der Signalerfassung gemessen und im Prozessor 28 für die Verwendung bei der Demodulation gespeichert. Dieser Frequenzversatz wird durch das Mitteln der Phasendrehung von Symbol zu Symbol abgeschätzt und dann der Phasenregelschleife 27 als Anfangsbedingung für die beschleunigte Phasenregelung zugeführt. Dadurch wird Zeit gewonnen im Vergleich mit klassischen Phasenregelschleifen des bekannten Standes der Technik. Die mittlere Amplitude bzw. der Betrag der Phasenfehler für die Symbole kann über eine Schaltung 46 in einem Rechenblock 30 bestimmt werden und steht als Signalqualität-1-Abschätzung zur Verfügung.
Die Amplitude des Ausgangssignals vom Wandler 20 kann in einen Integrator 32 zur Integration eingespeist werden. Es ist zu würdigen, daß dies die Notwendigkeit (und die Hardware) des Standes der Technik für eine Dopplerverschiebung oder die Notwendigkeit, einen Ablegefehler des Oszillators vor dem Korrelator zu korrigieren, eliminiert. Das integrierte Ausgangssignal wird einem Taktgeber 34 für die Festlegung des Symboltaktes und der Bit-Sync-Amplitude zugeführt. Diese Bit-Sync-Amplitude ist eine mittlere Amplitude der Symbole in Polarkoordinaten und gleichzeitig ein Maß für die Signalamplitude und steht als Signalqualitäts-2-Abschätzung zur Verfügung.
Während der Datenmodulation in der Schaltung 44 verfolgt und beseitigt die Phasenregelschleife Frequenzversetzungen durch Abziehen der mittleren Phase. Der Demodulator schaltet von der differentiellen Demodulation während der Erfassung auf koherente Demodulation gefolgt von einer differentiellen Erfassung in der Schaltung 42 während der Datendemodulation in der Schaltung 44. Durch diese Umschaltung wird die Bit-Fehlerrate-Performance verbessert.
Das Verfahren zur Abschätzung der Signalqualität in einem Funkdemodulator, der eingangsseitig eine Symbolfolge empfängt, umfaßt die Verfahrensschritte des Abtastens in der Schaltung 38 eines Nur-Phasenanteils von jedem der Symbole der eingangsseitigen Symbolfolge. Ferner wird in der Schaltung 22 der Phasenfehler für jede Abtastung des Nur-Phasenanteils ermittelt und in der Schaltung 30 die Signalqualität-1-Abschätzung für eine Vielzahl von Phasenfehlerproben errechnet. Die Signalqualitätsabschätzung kann in der Schaltung 30 als mittlere Amplitude aus einer vorgegebenen Anzahl von Phasenfehlerabtastungen ermittelt werden.
In einer detaillierteren Darstellung umfaßt das Verfahren zur Bestimmung der Signalqualität in einem Funkdemodulator folgende Verfahrensschritte:
a) das zur Verfügung Stellen der I- und Q-Komponenten einer Datensymbolfolge an einen Rundfunkdemodulator 10;
b) Verbinden der I- und Q-Komponenten für jedes Symbol;
c) Abtasten der kombinierten I- und Q-Komponenten für jedes Symbol mit einer Abtastrate von einer Abtastung pro Symbol;
d) Umwandlung der Proben in der Schaltung 20 in Polarkoordinatenform;
e) zur Verfügung Stellung der Nur-Phasenanteile der Polarkoordinaten an eine Phasenregelschleife 27 zur Bestimmung des Phasenfehlers für jede Abtastung;
f) Errechnung in der Schaltung 30 der mittleren Amplitude einer Vielzahl von Phasenfehlerabtastungen;
g) zur Verfügung Stellung der mittleren Amplitude über die Schaltung 36 an den Eingang des Demodulators als Signalqualitätsabschätzung und
h) Bestimmung einer mittleren Phase einer vorgebenenen Anzahl von Symbolen aus dem Nur-Phasenanteil der Symbole und Anlegen der mittleren Phase an die Phasenregelschleife.

Claims

1. Verfahren zum Abschätzen der Signalqualität in einem DPSK-Demodulator (10), der eingangsseitig eine Folge von Symbolen empfängt, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Umsetzen der Symbole in eine Betrag- und Phasengröße;

b) Abtasten (38) eines Nur-Phasenanteils von jedem der Symbole der eingangsseitigen Symbolfolge;

c) Bestimmen eines Phasenfehlers (22) für jede Abtastung, und

d) Bestimmen (30) einer Signalqualitätsabschätzung aus einer Vielzahl von Abtastungsphasenfehlern, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt c) den Nur-Phasenanteil der Polarkoordinatenform an eine Phasenregelschleife bereitsstellt, um den Phasenfehler für jede Probe zu bestimmen, wobei die Phasenregelschleife als Anfangsbedingung zur Beschleunigung der Phasenfixierung mit einer Versatzfrequenz versorgt wird, welche während der Signalerfassung durch Mittelwertbildung der Phasendrehung von Symbol zu Symbol gewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Verfahrensschritt a) weitere Verfahrensschritte umfaßt:

a&sub1;) Abtastung (12, 14) eines jeden Symbols der eingangsseitigen an dem DPSK-Demodulator anliegenden Symbolfolge, und

a&sub2;) Umwandlung (16, 18, 20) abgetasteter Probe in eine Polarkoordinatenform.

3. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Symbole als I- und Q-Komponenten zur Verfügung stehen und der Verfahrensschritt a&sub1;) umfaßt:

a'&sub1;) das Zusammenfassen (12, 14) der I- und Q-Komponenten eines jeden Symbols; und

a"&sub1;) das Abtasten (16, 18) der zusammengefaßten I- und Q-Komponenten eines jeden Symbols mit einer Rate von einer Abtastung pro Symbol.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Verfahrensschritt d) aus dem Errechnen (30) einer mittleren Größe einer Vielzahl von Phasenfehlerproben besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß es als weiteren Schritt enthält:

e) das Bereitstellen (36) der mittleren Größe an den Eingang des Demodulators als Signalqualitätsabschätzung.