DE69636812T2 - Frequenzabweichungskorrektur für teilnehmerendgeräte - Google Patents
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Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Die Nachfrage nach größeren Mengen an Informations- und Datenübertragung an und von Wohn-, Geschäfts- und anderen Benutzern wächst weiter schneller als die Versorgung damit Schritt halten kann. Diese Nachfrage nach Information wird in einer Vielfalt von Formen, die Fernsprechsysteme verschiedener Formen, Kabelsysteme, Hybrid-Faser-/Kabelsysteme und drahtlose Systeme umfassen, befriedigt. Das örtliche Mehrpunkt-Verteilsystem ((LMDS) Local Multi-point Distribution System) und der Mehrkanal-Mehrpunkt-Verteildienst ((MMDS) Multichannel Multipoint Distribution Service) stellen solche Einweg- und Zweiweg-Breitbanddienste wie Rundfunkvideo, Video auf Verlangen, Multimedia-Fähigkeit, Interaktives Video, Hochgeschwindigkeits-Fern-LAN/Internetzugriff, Fernsprechen, Fernrechnen, Schnelllernen, Videokonferenzen, elektronischer Verkauf/Vermarktung, Telemedizin, Heimeinkauf und Hochgeschwindigkeitsrechnerdatenverbindungen als Beispiele zur Verfügung. Beide Systeme können eine drahtlose Infrastruktur zur Verfügung stellen, um Breitbanddienste aus zum Beispiel einem örtlichen zentralen TELCO-Büro ((CO) Central Office) oder einer Kabel-Hauptstation-(,Headend')-Einrichtung zu liefern.
1 erläutert solch ein System. Das als Beispiel dienende System weist drei Grundbestandteile auf: eine Hauptstation-Einrichtung, ein System von Basis- oder Verteilstationen, und eine Vielzahl von Teilnehmerstationen. Das Gesamtsystem ist aus einem geographischen Aufbau nicht-überlappender Zellen hergestellt, worin jede geographische Zelle eine große Anzahl von Teilnehmerstationen, die von einer Basisstation unterstützt werden, haben kann. Eine Mannigfaltigkeit von Basisstationen sind an eine einzelne Hauptstation über Schnittstellen verbunden. - BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
- Wie bei
1 . gezeigt, sammelt die Hauptstation alle über das System zu verteilenden Signale und bildet dadurch eine sternfömige Anordnung. Mit der Hauptstation im Zentrum des Sternes umgeben die Basisstationen die Hauptstation und die Teilnehmer umgeben ihre jeweiligen Basisstationen. Als Beispiele von gesammelten Signalen können digitales Video vermittels Satellitenverbindungen eingesammelt werden, eine Fernsprechsystemschnittstelle kann über Klasse-5-Schalter zur Verfügung gestellt werden und/oder digitale Datennetzwerke mit hoher Rate können über eine Datenschalterschnittstelle mit hoher Rate angeschlossen werden. Die Daten aus der Hauptstation werden an das System von örtlichen Basisstationen verteilt von denen jeder zugewiesen ist, ihre geographische „Zelle" von Teilnehmerstationen zu bedienen. - In solchen Punkt-zu-Mehrpunkt-Systemen, wo eine Basisstation von mehreren Teilnehmern empfängt, ist es wirksam, die Frequenzunsicherheit der Übermittlungen von den Teilnehmern an die Basisstationen (hierin die Stromaufrichtung genannt) zu vermindern. Zum Beispiel sowohl im Schub (burst)-Zeitmultiplex-Zugriff ((TDMA) Time Division Multiple Access) als auch im Frequenzteilungsmehrfachzugriff-(Frequency Division Multiple Access (FDMA)) -kontinuierlichen Modus kann die Frequenzunsicherheit von Schmalbanddatensendungen mehrere Frequenzkanäle umfassen, was verursachen könnte, daß ein Teilnehmer einen anderen auf einem benachbarten Frequenzkanal stört. Um solche Zwischenkanalstörung zu vermeiden, wird oft ein breites nichtbenutzbares Schutzband zwischen benachbarten Frequenzkanälen benötigt, was zu einer wenig wirksamen Bandausnutzung führt.
- BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- In Schubmodus-(TDMA)-Breitbandsystemen müssen die Signale von Teilnehmern während jedes Schubes erfaßt werden. In Schubmodussystemen besteht jeder Schub typischerweise aus einem Vorspann für die Synchronisierung, den eigentlichen Daten und einem Schutzband. Ein Maß der Wirksamkeit des Kanals ist das Verhältnis von Daten zur gesamten Schublänge. Je größer die Frequenzunsicherheit der Teilnehmersendungen im Vergleich zur Modulationssymbolrate, desto länger muß der Synchronisationsvorspann am Anfang eines Schubes sein, was die Wirksamkeit des Kanals vermindert. Für eine vorgegebene örtliche Oszillatorstabilität eines Teilnehmers, typischerweise um zehn Teile per Millionen ((ppm) parts per million) für Oszillatoren mit geringen Kosten, ist der Betrag des Teilnehmersendefrequenzfehlers der Trägerfunkfrequenz ((RF) Radio Frequency) proportional. Als Ergebnis wird dieses Problem besonders brennend bei den höheren Frequenzbändern, die gegenwärtig für diese Dienste verfügbar gemacht werden -- die ultrahohe Frequenz ((UHF) Ultra High Frequency) (0,3–3 GHz), die Superhochfrequenz ((SHF) Super High Frequency) (3–30GHz) und das extrem hohe Frequenzband ((EHF) Extremely High Frequency Band) (30–3000Hz) Bei 10 ppm sind die entsprechenden Trägerfrequenzfehler 3–30 kHz, 30–300 kHz und 300–3,000 kHz für UHF bzw. SHF bzw. EHF. Die Erfindung ist insbesondere nützlich, indem sie eine Lösung mit geringen Kosten schafft, um die Teilnehmerfrequenzfehlerprobleme im 0,3–300 GHz-Bereich zu lösen.
- Typischerweise wird dieses Problem gelöst, indem man sicherstellt, daß die Frequenzstabilität, gemessen in Teilen pro Millionen des Bezugsoszillators in den Teilnehmerendstellen, beliebig klein ist. Dies führt zur Verwendung von teuren Oszillatoren, die besondere Alterungskennungen haben oder Verwendung von Thermistor-Netzwerken oder elektrisch geheizten Öfen um die temperaturinduzierte Frequenzabweichung auszugleichen. Diese Lösungen sind um Größenordnungen teurer als für Endverbraucher-Nachrichtenverbindungsausrüstung mit niedrigen Kosten gewünscht.
- Eine andere Lösung, die preisgünstige Kristalloszillatoren verwendet, ist, den örtlichen Senderoszillator an den örtlichen Empfängeroszillator über einen M/N-Frequenzsynthesizer mitPhasenregelkreis anzubinden, wo M/N das Verhältnis der Senderfrequenz zur Empfängerfrequenz ist. Dies ist nicht wünschenswert, weil das Wärmerauschen innerhalb des Phasenregelkreises der Empfängerträgerwiedergewinnung ein Phasenrauschen auf dem Senderlokaloszillator verursacht, was zu einem übermäßigen Phasenrauschen führt, das an der Hauptstation empfangen wird, und somit einer Verschlechterung oder einem niedrigeren Bitfehlerratenverhalten. Um das Phasenrauschen des Senderlokaloszillators zu vermindern wird die Rauschbandbreite des Empfänger-Phasenregelkreises beliebig klein gemacht werden, was die Fähigkeit des Empfänger-Phasenregelkreises, Phasenrauschen auf dem empfangenen Signal zu verfolgen, vermindert, was eine Verschlechterung im Empfängerbitfehlerratenverhalten erzeugt.
- Eine andere Lösung wird in WO 95/06362 (Pacific Comm Sciences Inc.), 2. März 1995 (1995.03.02) gezeigt, worin ein Verfahren gezeigt wird, worin Frequenzverschiebungen akkumuliert und mit einer vorbestimmten Schwelle verglichen werden. Die Bezugsfrequenz wird angepaßt, wenn die akkumulierte Verschiebung die Schwelle überschreitet.
- Der Gegenstand der Erfindung ist, ein Frequenzsteuersystem mit niedrigen Kosten zu schaffen, das sicherstellt, daß die Frequenzunsicherheit von Teilnehmersendungen beliebig klein gemacht wird mit kostengünstigen Kristalloszillatoren, ohne das Bitfehlerratenverhalten als Ergebnis übermäßigen Phasenrauschens zu opfern.
- Kurze Zusammenfassung der Erfindung
- Die Erfindung ist ein Frequenzsteuersystem und – verfahren, das eine Schätzung einer Empfängerfrequenzverschiebung benutzt, um eine Schätzung der Frequenzauswanderung des Bezugsoszillators abzuleiten, um die Frequenzverschiebung auf dem Senderlokaloszillator auszugleichen. Dies erlaubt die Verwendung von Kristalloszillatoren mit geringen Kosten in der Nachrichtenverbindungsausrüstung von Teilnehmern, ohne eine Verschlechterung beim Bitfehlerratenverhalten, weder an der Basisstation noch der Teilnehmerendstelle, zu verursachen.
- Die Erfindung schafft eine einzigartige und nützliche Frequenzsteuerung in einem erdgebundenen Punkt-zu-Mehrpunkt-Nachrichtenverbindungssystem so wie MMDS und LMDS, die im 0,3–3000Hz-Band arbeiten, wodurch der Fehler des Senderlokaloszillators der Teilnehmerendstelle vermindert wird durch eine oder beide der nachfolgenden Techniken:
- 1. Verwendung eines Bezugs-Funksignals hoher Frequenzgenauigkeit von der Basisstation und einer Schätzung, die aus dem Messen des Frequenzfehlers in dem Teilnehmerempfänger erhalten wird, um die Frequenzauswanderung/Fehler im Senderlokaloszillator des Teilnehmers auszugleichen und/oder
- 2. Individuelle Schätzung, die vom Messen jedes Teilnehmer-Frequenzfehlers in der Basisstation-Empfängerträgerrückgewinnung erhalten wird und an den örtlichen Senderoszillator des entsprechenden Teilnehmers übermittelt wird.
- Beschreibung der Zeichnungen
- Die obigen und andere Gegenstände, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden ersichtlicher werden, wenn sie mit der folgenden Beschreibung und den beifügten Zeichnungen in Betracht gezogen werden, worin:
-
1 : Ein schematisches Blockdiagramm eines Örtlichen Mehrpunkt-Verteilungssystems (LMDS) oder Mehrkanal-Mehrpunktverteildienstes (MMDS), die die Erfindung verkörpern, ist; -
2 : Ein Blockdiagramm eines Teilnehmerfrequenzsteuersystems, das die Erfindung verkörpert, ist; und -
3 : Ein Blockdiagramm eines digitalen Aufbaus eines Phasenretelkreises der Erfindung ist. - Beschreibung spezieller Ausführungsformen
- Ein als Beispiel dienendes Teilnehmerendstellenfrequenzsteuersystem ist in
2 gezeigt. Der Funkfrequenzeingang von der Antenne wird durch den Diplexer (1 ) zum Bildabweisefilter (2 ) hindurchgelassen, der jegliche Signale, die bei der Bildfrequenz von fLO–fIF für „Low Side Injection" sein mögen, wo fLO die Frequenz des Empfängerlokaloszillators und fIF die Zwischenfrequenz ist, filtert. Die erste Empfängermischstufe (3 ) abwärtskonvertiert das Eingangssignal unter Verwendung des ersten Empfängerlokaloszillators (4 ) auf eine Zwischenfrequenz. Der erste Empfängerlokaloszillator wird aus dem Kristalloszillatorbezug (5 ) über einen Synthesizer mit Phasenregelkreis mit einem programmierbaren Prescaler um eine Abstimmung zu bewirken, synthetisiert. Das Bild aus dem ersten Empfängermischer bei fLO + fRF wird durch den ersten Empfängermischer-Bildfilter (6 ) entfernt, wo fRF die Frequenz des ursprünglichen Funkfrequenzeingangs ist. Die Quadratur-Abwärtskonvertierstufe mischt das Signal bei der Zwischenfrequenz zu Basisband-In–Phase und Quadratur-Signalen mit einem zweiten Empfängerlokaloszillator, der aus einem spannungsgesteuerten Oszillator ((VCO) Voltage Controlled Oscillator) (8 ) abgeleitet wird, was dann durch den Demodulator (9 ) demoduliert werden kann. - Für eine kohärente Demodulation muß die Trägerphase durch typischerweise Abschließen eines Phasenregelkreises durch den Quadratur-Abwärtskonverter wiedergewonnen werden. Dies wird typischerweise getan, indem man eine Steuerspannung, die aus dem Phasenfehler zwischen dem zweiten Empfängerlokaloszillator und dem Eingangssignal abgeleitet wird, an den spannungsgesteuerten Oszillator (
8 ) rückkoppelt. Es gibt zahlreiche Verfahren um den Phasenregelkreis zu verwirklichen. -
3 zeigt, als ein Beispiel, eine Verwirklichung eines digitalen Phasenregelkreises für quaternäre-Phasenumtastmodulation-((QPSK) Quadrature Phase Shift Keying)-artige Modulation, obwohl die Erfindung gleichermaßen auf andere Modulationstechniken anwendbar ist. Wie vorher läßt der Quadratur-Abwärtskonverter (21 ) In-Phase und Quadratur-Basisband analoge Abtastungen zu angepaßten Filtern (22 ) durch, deren Ausgänge auf Symbolepochen (nicht gezeigt) abgetastet werden. Ein Quaternär-Phasenmodulations-Entscheidungsgerichteter Phasenfühler (Phase Shift Keyed Decision-Directed-Phase Detector) (23 ) bildet die Phasenfehlerschätzung, die durch den Regelkreisfilter (24 ) gefiltert wird, um das gewünschte Regelkreisrauschenverhalten für die Demodulation zu erzielen. Der Ausgang des Regelkreisfilters stellt einen Frequenzfehler dar, der, wenn er zur Nennfrequenz (25 ) hinzuaddiert wird, die neue Frequenzschätzung darstellt, die in eine Spannung, die zum Steuern des spannungsgesteuerten Oszillators (26 ) geeignet ist, umgewandelt werden kann. - Nach der anfänglichen Signalerlangung durch den Empfänger wird der Senderlokaloszillator sofort auf Frequenzauswanderung im Bezugs-Kristalloszillator ausgeglichen. Da die Bezugsfrequenz in der Basisstation um Größenordnungen stabiler sein wird als der Bezugskristalloszillator in der Teilnehmerendstelle, kann angenommen werden, daß jeglicher gemessener Frequenzfehler in der Teilnehmerträgerphasenrückgewinnung durch den Bezugskristalloszillator des Teilnehmers verursacht wird. Nachdem die anfängliche Frequenzverschiebung entfernt worden ist, muß der Frequenzfehler nur periodisch aufgefrischt werden, vielleicht einmal pro Minute, aufgrund von Änderungen in der Umgebungstemperatur. Die langsame Natur der Frequenzauswanderung eignet sich für eine Verwirklichung durch Software durch eine Mikrosteuerung mit geringen Kosten.
- Typischerweise wird eine QPSK–Demodulator- digitale integrierte Schaltung den Frequenzfehler verfügbar machen. Dies kann aus dem Akkumulator des Regelkreisfilters wie in
3 gezeigt genommen werden, oder die integrierte Schaltung kann einen getrennten Algorithmus zum Schätzen der Frequenzverschiebung verwenden. Die Frequenzfehlerschätzung könnte periodisch durch eine Mikrosteuerung, einen Mikroprozessor oder einen digitalen Signalverarbeiter gelesen werden und weiter in Software verarbeitet werden um das gewünschte Rauschverhalten zu erzielen. Die Mikrosteuerung, der Mikroprozessor oder der digitale Signalverarbeiter könnten dann den Prescaler-Teiler in dem Sende-Synthesizer mit Phasenregelkreis einstellen, um den Frequenzfehler im Senderlokaloszillator (11 ,2 ) zu entfernen. - Die Erfindung ist insbesondere geeignet wo der Aufwärtssignalstrom in einem Schubmodus ist, so daß die Steuerung der Auswanderung/des Fehlers des Senderlokaloszillators für alle Schübe von allen Teilnehmern und zwischen Sendeschüben jedes Teilnehmers durchgeführt werden kann. Allgemein gesagt können die Frequenznachstellungen klein genug gemacht werden, so daß der enthaltene Frequenzschritt viel kleiner ist als die Regelkreisbandbreite des Trägerrückgewinnungsalgorithmus der Basisstation um zu vermeiden, Zyklusauslassungen und Bitfehler im Basisstationsdemodulator einzuführen. Diese Anpassung in einem kleinen Schritt ist wirksam wegen der langsamen Natur der Frequenzauswanderung des Lokaloszillators des Teilnehmers.
- Eine alternative Technik, die die Verarbeitungserfordernisse der Teilnehmerendstelle vermindert, arbeitet wie folgt. Der Frequenzfehler in der Sendung jedes Teilnehmers wird durch die Basisstation in CFE berechnet und an jeden Teilnehmer zur Sendefrequenzberichtigung oder -Nachstellung zurückübermittelt durch einen Steuerkanal oder eine Signalisierung im Band in den Abwärtsstrom-Daten. Dies ist möglicherweise wünschbar bei Schubaufwärtsstrompaketen, wo ein einzelner Demodulator in der Basisstation alle Teilnehmer in einem Frequenzkanal bedienen kann. In dieser Anordnung wird der Sendefrequenzfehler jedes Teilnehmers vom Fehler im Basisstations-Trägerrückgewinnungsalgorithmus berechnet.
- ABWANDLUNGEN
- A. Hardware-Verwirklichung
- Die Verarbeitung der Frequenzfehlerschätzung kann auch völlig in Hardware, ohne einen Eingriff und Softwareverarbeitungen zu erfordern, durchgeführt werden durch ein Mikrosteuergerät, Mikroprozessor oder eine digitalen Signalverarbeitung. Dies wird, im Ergebnis, zu einem Frequenzregelkreis, wo die Senderlokaloszillatorfrequenz an die Empfängerlokaloszillatorfrequenz angebunden ist.
- Für einige glückliche Kombinationen von Modulationssymbolraten und Bandbreiten von Phasenregelschleifen zur Trägerrückgewinnung kann es möglich sein, den wiedergewonnenen Träger auf den Senderlokaloszillator kohärent umzudrehen. Dies führt letztendlich zu einem Phasenregelkreis, wo der Senderlokaloszillator gebunden und phasenverriegelt an dem Empfängerlokaloszillator ist.
- B. DIGITALE VERWIRKLICHUNGEN
- Der spannungsgesteuerte Oszillator kann durch einen völlig digitalen numerisch gesteuerten Oszillator in einigen digitalen Verwirklichungen ersetzt werden. Zusätzlich kann der Senderlokaloszillator für HochfrequenzAufwärtsumwandlung fest sein und der Modulator selbst könnte einen numerisch gesteuerten Oszillator enthalten, um den Frequenzauswanderungsausgleich zu bewirken und eine veränderliche Zwischenfrequenz an den Sendemischer zu liefern.
- ZUSAMMENFASSUNG VON VORTEILEN
- Dadurch, daß man Frequenzfehler von allen Teilnehmerstationen gemäß der Erfindung vermindert, sind keine überschüssigen Frequenzbänder zwischen benachbarten FDMA-Kanälen erforderlich, was die Ausnutzung des Spektrums verbessert. Darüber hinaus, indem man Frequenzfehler von allen Teilnehmerstationen vermindert, kann eine schnelle Erfassung des Signals jedes Teilnehmers an der Basisstation erzielt werden, was eine wirksame TDMA-Aufwärtsstrom-Arbeitsweise erlaubt.
- Während die Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird erkannt werden, daß andere Ausführungsformen, Anpassungen und Abwandlungen dem Fachmann ersichtlich sein werden.
Claims (5)
- Ein Punkt- zu Mehrpunkt-Stern-Funk-Nachrichtenverbindungssystem, mit mindestens einer Basisstation, die Funknachrichtenverbindungssignale im 0,3–300 GHz-Bereich an eine Mehrzahl von zugeordneten Teilnehmerstationen sendet und davon empfängt, gekennzeichnet durch ein System zum Vermindern der Frequenzunsicherheit von Funksendungen von Teilnehmerstationen an besagte Basisstation, wobei besagtes System aufweist: Jede besagter Teilnehmerstationen hat Sende- und Empfangseinrichtungen mit Sende (
13 )- und Empfangs (2 )-Kanälen, einen Sendemischer (12 ) in besagtem Sendekanal und einen Empfängermischer (3 ) in besagtem Empfangskanal, einen Bezugsoszillator (5 ), örtliche steuerbare Sende (11 )- und Empfangs (4 )-Frequenzquellen, die mit besagtem Bezugsoszillator (5 ) verbunden sind, erste Demodulatoreinrichtungen (9 ), Abwärtswandlereinrichtungen (7 ), die besagte erste Demodulatoreinrichtungen (9 ) mit besagtem Empfängermischer verbinden, spannungsgesteuerte Oszillatoreinrichtungen (8 ), die mit besagtem Abwärtswandler verbunden sind, Einrichtungen, die besagte erste Demodulatoreinrichtungen mit besagtem spannungsgesteuerten Oszillator verbinden, um ein Trägerphasenfehlerkorrektursignal an besagten spannungsgesteuerten Oszillator zu liefern um kohärente Demodulation sicherzustellen, und Einrichtungen, die besagte Sendefrequenzquelle mit besagtem ersten Demodulator verbinden um die Frequenz besagter Sendefrequenzquelle nachzustellen. - Das in Anspruch 1 angegebene Funknachrichtenverbindungssystem, weiter gekennzeichnet dadurch, daß besagter Bezugsoszillator ein Kristalloszillator ist.
- Das in Anspruch 1 angegebene Funknachrichtenverbindungssystem, weiter gekennzeichnet dadurch, daß besagte steuerbare örtliche Sende- und Empfangsfrequenzquellen programmierbare Frequenzsynthesizer mit Phasenregelkreisen sind.
- Das in Anspruch 1 angegebene Funknachrichtenverbindungssystem, weiter gekennzeichnet dadurch, daß besagter Abwärtswandler ein Quadratur-Abwärtswandler ist.
- Das in Anspruch 1 angegebene Funknachrichtenverbindungssystem, aufweisend Spiegelfrequenzsicherheitsfiltereinrichtungen, die besagten Empfangsmischer mit besagtem Abwärtswandler verbinden.
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