DE69729373T2

DE69729373T2 - Verfahren zur berechnung der impulsantwort und empfänger

Info

Publication number: DE69729373T2
Application number: DE69729373T
Authority: DE
Inventors: Olli Piirainen
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2017-11-21
Also published as: AU5054598A; FI964645A0; FI964645A; AU727493B2; FI101919B1; JP2000504539A; FI101919B; CN1209920A; EP0885496A2; ATE268521T1; NO983344L; US6421402B1; EP0885496B1; WO1998025351A2; WO1998025351A3; NO983344D0; AU727493C; DE69729373D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen einer Impulsantwort in einem digitalen Funksystem, bei dem die zu übertragenden Signale aus Symbolen gebildete Bursts aufweisen, wobei die Bursts eine bekannte Trainingssequenz aufweisen, wobei das Verfahren ein Abtasten von einem empfangenen Signal, ein Messen eines DC-Offset bei den Abtastwerten und ein Korrelieren des Signals mit der bekannten Trainingssequenz aufweist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einer typischen zellularen Funkumgebung breiten sich die Signale zwischen einer Basisstation und einem Teilnehmerendgerät auf mehreren Wegen zwischen einem Sender und einem Empfänger aus. Diese Mehrwegeausbreitung wird hauptsächlich von Signalreflexionen von umgebenden Flächen verursacht. Sich auf unterschiedlichen Wegen bewegende Signale kommen aufgrund einer unterschiedlichen Ausbreitungsverzögerung zu unterschiedlichen Zeiten am Empfänger an. Dies gilt für beide Übertragungsrichtungen. Die Mehrwegeausbreitung eines Signals kann in einem Empfänger durch ein Messen der Impulsantwort des empfangenen Signals verfolgt werden, wobei zu unterschiedlichen Zeiten ankommende Signale als zu ihrer Signalstärke proportionale Peaks bzw. Scheitelpunkte erkennbar sind. 1 zeigt beispielhaft eine gemessene Impulsantwort. Die Zeit ist auf einer horizontalen Achse 100 aufgetragen und die Stärke des empfangenen Signals auf einer vertikalen Achse 102. Peaks bzw. Scheitelpunkte 104, 106, 108 der Kurve zeigen die stärksten über mehrere Wege ausgebreiteten Komponenten des empfangenen Signals an.
Bei Lösungen gemäß dem Stand der Technik wird die Impulsantwort unter Verwendung einer bekannten Trainingssequenz geschätzt, die zum Burst hinzugefügt wird. Bei bekannten Lösungen, z. B. im GSM-System, wird die Impulsantwort durch eine Kreuzkorrelation der empfangenen Abtastwerte mit einer bekannten Trainingssequenz geschätzt. 2 zeigt ein Beispiel einer Lösung gemäß dem Stand der Technik. Ein empfangenes Signal 200, das in eine Zwischenfrequenz oder auf ein Basisband gewandelt wurde, wird zu einer Abtasteinrichtung 202 übertragen, in der genommene Abtastwerte 204 an eine Speichereinrichtung 206 übertragen werden, von wo aus ein digitaler Signalprozessor 210 Abtastwerte 208 liest und sie verarbeitet. Abtastwerte 204 weisen einen nachstehend als DC-Offset bezeichneten Gleichspannungsversatz auf, der vor einer Demodulation und einer Impulsantwortberechnung entfernt wird. Dies verursacht eine Verzögerung bei der Signalverarbeitung. Im Signalprozessor wird der DC-Offset entfernt, dann wird das Signal demoduliert und die Impulsantwort kann durch Korrelieren des Signals mit der Trainingssequenz berechnet werden. Die Korrelation weist Additions- und Subtraktionsoperationen auf, und der digitale Signalprozessor führt diese Operationen, verglichen mit den aus speziellen Komponenten aufgebauten Lösungen, uneffizient durch. Insbesondere eine Zugangsburstberechnung ist eine erhebliche Last bzw. Belastung für den Signalprozessor.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und einen Empfänger zu implementieren, bei denen eine Signalprozessorlast reduziert werden kann und mit denen eine Impulsantwort schnell und effizient berechnet werden kann.
Dies wird mit dem in der Einleitung dargestellten Verfahren erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren eine Impulsantwortberechnung durch Korrelieren der genommenen Abtastwerte mit einer Trainingssequenz, bevor der DC-Offset entfernt wird, und das Entfernen des DC-Offset-Einflusses aus der berechneten Impulsantwort aufweist.
Die Erfindung betrifft auch einen Empfänger in einem digitalen Funksystem, bei dem ein empfangenes Signal aus Symbolen gebildete Bursts aufweist, wobei die Bursts eine bekannte Trainingssequenz aufweisen, wobei der Empfänger eine Einrichtung zum Abtasten des empfangenen Signals und eine Einrichtung zum Messen eines DC-Offset bei den Abtastwerten aufweist. Der Empfänger der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger eine Einrichtung zum Berechnen einer Impulsantwort durch Korrelieren der genommenen Abtastwerte mit der Trainingssequenz, bevor der DC-Offset entfernt wird, und eine Einrichtung zum Entfernen des DC-Offset-Einflusses aus der berechneten Impulsantwort aufweist.
Die Lösung der Erfindung weist mehrere Vorteile auf. Die Lösung der Erfindung ist einfach zu implementieren. Im GSM-System ist zum Beispiel die Impulsantwortberechnung eines Zugangsburst die schwierigste Berechnungsoperation eines Frequenz-Equalizer bzw. einer -Entzerrvorrichtung in einer GSM-Basisstation. Mit der Lösung der Erfindung kann die Berechnung im Vergleich zu gegenwärtigen Lösungen doppelt so einfach implementiert werden. Außerdem ermöglicht die Lösung der Erfindung eine Impulsantwortberechnung in Verbindung mit einer Abtastung, wodurch die Berechnung beschleunigt wird. Dies war vorher aufgrund des vom DC-Offset verursachten Fehlers nicht möglich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele in den zugehörigen Zeichnungen ausführlicher beschrieben, bei denen zeigen:
1 ein vorstehend beschriebenes Beispiel der Impulsantwort eines empfangenen Signals,
2 eine Lösung gemäß dem Stand der Technik zur Impulsantwortberechnung,
3 einen Normalburst des GSM-Systems,
4 ein Beispiel des Empfängers der Erfindung, und
5 ausführlicher ein Beispiel des Aufbaus des Empfängers der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die Erfindung kann auf jedes digitale Funksystem angewendet werden, bei dem ein Burst eine Trainingssequenz aufweist. Ein Beispiel eines derartigen Systems ist das zellulare GSM-Funksystem, und im Folgenden wird dieses beim Beschreiben der Erfindung als Beispiel verwendet, obwohl diese nicht darauf beschränkt ist.
Bei Lösungen gemäß dem Stand der Technik wird die Impulsantwort mittels einer dem Burst hinzugefügten bekannten Trainingssequenz geschätzt. 3 zeigt beispielhaft einen Normalburst des GSM-Systems, der Start- und Endbits 300, 302, eigentliche Daten in zwei Teilen 304, 306 und eine in der Mitte des Burst angeordnete bekannte Trainingssequenz 308 aufweist. In einem Normalburst beträgt die Länge der Trainingssequenz 26 Bits.
Die Empfänger eines digitalen Systems tasten das empfangene Signal typischerweise ab, d. h. wandeln es durch Abtasten zu bestimmten Intervallen in digitale Form um. Die Abtastwerte weisen einen DC-Offset auf, der in der Praxis den aus allen empfangenen Abtastwerten berechneten Mittelwert darstellt. Das empfangene Signal kann in Vektordarstellung dargestellt werden: Rre = Rre_id + DCre Rim = Rim_id + DCim,wobei ein Index re einen Realteil und ein Index im einen Imaginärteil darstellt. DC_re und DC_im sind die DC-Offsets und Rre_id = (Rre_id(0) Rre_id(1) ..... Rre_id(M – 1) Rim_id = (Rim_id(0) Rim_id(1) ..... Rim_id(M – 1)stellen das empfangene Idealsignal dar, wobei M die Länge des Burst ist.
Bei der Lösung der Erfindung wird die Impulsantwort gemessen und gleichzeitig parallel dazu demoduliert. An dieser Stelle ist die Impulsantwort noch durch den DC-Offset der Abtastwerte verzerrt. Bei der Lösung der Erfindung wird der DC-Offset-Einfluss aus der berechneten Impulsantwort unter Verwendung eines einfachen Korrekturausdrucks entfernt.
Es wird die Demodulation im GSM-System untersucht. Eine Demodulation kann durch Multiplizieren der empfangenen Abtastwerte durchgeführt werden: S(i) = (Rre(i) + j Rim(i)) e–j0,5πi,wobei i = 0, ..., M – 1 gilt.
Der Exponentenausdruck e^–j0,5πi definiert eine Abfolge 1, –j, –1, j, die fortlaufend wiederholt wird. Auch der Ausdruck e^–j0,5πi kann verwendet werden, wobei dann nur die Vorzeichen umgekehrt sind. S kann daher wie folgt dargestellt werden: Sre = (Rre(0) Rim(1) –Rre(2) –Rim(3) Rre(4) ...)T und Sim = (Rim(0) –Rre(1) –Rim(2) –Rre(3) Rim(4) ...)T.
Wegen dem DC-Offset können die demodulierten Abtastwerte wie folgt geschrieben werden: Sre_id = Sre – (DCre DCim –DCre –DCim ...)T Sre_id = Sre – DCre und Sim_id = Sim – (DCim –DCre –DCim DCre ...)T Sim_id = Sim – DCim,wobei S_{re_id} und S_{im_id} die Ausdrücke sind, aus denen der DC-Offset entfernt wurde.
Zum Berechnen einer Impulsantwort wird die Trainingssequenz zuerst als ein Vektor definiert: trs = (trs(0) trs(1) ... trs(N)),wobei N die Länge der Trainingssequenz ist. Unter Verwendung des Trainingssequenzvektors wird eine Matrix gebildet:
Es gibt so viele T-Zeilen in der Matrix wie Kreuzkorrelationsanzapfungen zu berechnen sind. Die Impulsantwort H kann daher unter Verwendung der Kreuzkorrelation wie folgt berechnet werden: Hre = T*Sre_id = T*Sre – DCre) = T*Sre – T*DCre Him = T*Sim_id = T*Sim – DCim) = T*Sim – T*DCim
Die vorstehenden Formeln zeigen, dass die Impulsantwortanzapfungen berechnet werden können, bevor der DC-Offset aus dem Signal entfernt wird. Die Verzerrung kann aus der erlangten Impulsantwort, die immer noch durch den DC-Offset verzerrt ist, durch Subtrahieren der Ausdrücke T*DC_re und T*DC_im von den berechneten Werten entfernt werden.
Es sollte beachtet werden, dass ein entsprechender Versatz bei der Indizierung verwendet werden sollte, falls sich die Trainingssequenz nicht am Beginn des Burst befindet. Aus Gründen der Einfachheit sei hier angenommen, dass sich die Trainingssequenz am Beginn des Burst befindet, obwohl dies z. B. im GSM-System nicht der Fall ist.
Die Ausdrücke DC_re und DC_im weisen nur vier mögliche Werte auf: ±DC_re und ±DC_im, die in einer durch die Demodulation bestimmten Abfolge wiederholt werden, und welche Werte gemessen werden können. Der DC-Offset-Einfluss kann daher durch Abziehen eines Korrekturausdrucks von der berechneten Impulsantwort entfernt werden, wobei der Korrekturausdruck durch Multiplizieren der gemessenen DC-Offset-Werte unter Verwendung der Trainingssequenz mit vorberechneten Multiplikatoren berechnet wird. Die Korrekturausdrücke können unter Verwendung der folgenden Formeln berechnet werden:
wobei A, B, C und D vorberechnete konstante Multiplikatoren sein können, die von der verwendeten Trainingssequenz abhängen.
Die vorstehend beschriebenen Formeln sind gültig, falls bei einer Kreuzkorrelation vier Anzapfungen zu berechnen sind, und falls die Trainingssequenz am Beginn des Burst steht. In allgemeiner Form können die Formeln wie folgt angegeben werden:
wobei gilt: i = der Startindex der Trainingssequenz im Burst, L = die Anzahl von Zeilen in der Matrix T, d. h. die Anzahl von zu berechnenden Kreuzkorrelationsanzapfungen. Rem() ist eine Restfunktion, die den Rest der durchgeführten Division zurück erhält. Es sollte beachtet werden, dass sogar bei einem allgemeinen Fall nur vier vorbestimmte Werte für jeden der Ausdrücke A, B, C und D benötigt werden.
Als nächstes wird der Empfängeraufbau der Erfindung untersucht, der gemäß 4 mit seinen relevanten Teilen dargestellt ist. Der Empfänger hat eine Antenne 400 zum Transportieren eines empfangenen Signals an Funkfrequenzbauteile 402, in denen das Signal in eine Zwischenfrequenz oder auf ein Basisband umgewandelt wird. Das umgewandelte Signal wird an eine Abtasteinrichtung 404 transportiert, wo das Signal in digitale Form umgewandelt wird. Die vorstehend beschriebenen Bauteile können unter Verwendung von Verfahren implementiert werden, die dem Fachmann bekannt sind.
Die Ausgabe der Abtasteinrichtung weist Real- und Imaginärteile 414, 416 der Abtastwerte auf, die vom Signal genommen wurden und an eine Speichereinrichtung 406 sowie an eine Berechnungseinrichtung 408 transportiert werden. Die Berechnungseinrichtung 408 berechnet die Impulsantwort zur gleichen Zeit, zu der Abtastwerte empfangen werden. Die von der Berechnungseinrichtung berechnete Impulsantwort weist immer noch eine vom DC-Offset verursachte Verzerrung auf. Die Ausgabe eines Burstzählers 410 wird als eine Eingabe an die Berechnungseinrichtung geleitet. Eine Information 418 über den Beginn des Burst ist die Steuerung des Burstzählers. Die Ausgabe der Berechnungseinrichtung wird an einen Signalprozessor 412 transportiert, wobei das ursprüngliche abgetastete Signal aus der Speichereinrichtung 406 als die Eingabe an diesen geleitet wird. Der Signalprozessor entfernt den DC-Offset-Einfluss aus der berechneten Impulsantwort unter Anwendung der vorstehend beschriebenen Berechnungsmaßnahmen. Bei der Lösung der Erfindung ist die Berechnungslast des Signalprozessors wesentlich geringer als bei Lösungen gemäß dem Stand der Technik.
Im Folgenden wird ein Beispiel des Berechnungseinrichtungsaufbaus untersucht, der gemäß 5 mit seinen relevanten Bauteilen dargestellt ist.
In einem Zähler werden die Impulsantwortanzapfungen durch Korrelation von Abtastwerten mit der Trainingssequenz gezählt und gleichzeitig werden die Abtastwerte demoduliert. Die abgetasteten Real- und Imaginärteile 414, 416 des Signals, die an Multiplexer 500, 502 transportiert werden, werden als Eingabe an den Zähler geführt. Die gemultiplexten Signale werden weiter an Berechnungseinheiten 504, 506 transportiert, wo ein Zweierkomplement berechnet wird, und weiter an Maskierungs- bzw. Ausblendeinrichtungen 508, 510, wo eine UND-Operation durchgeführt wird. Von den Maskierungseinrichtungen werden die Abtastwerte an Addierer transportiert, wo eine Rückkopplung 538, 540 hinzugefügt wird, und von den Addierern weiter an Speichereinrichtungen 516, 518, in deren Ausgaben reale und imaginäre Impulsantworten 534, 536 berechnet werden, die durch den DC-Offset verzerrt sind. Eine Steuerung, an die die Länge der Trainingssequenz 522, eine Bitzählung 524, die Bits 526 der Trainingssequenz, Start- und Endindizes 528, 530 als Eingabe geführt werden, arbeitet als Steuerungseinrichtung 520 des Zählers. Unter Verwendung von Steuersignalen 532 steuert die Steuerung die Funktion anderer Bauteile.
Das empfangene Signal wird unter Verwendung von Multiplexern 500, 502 und von Berechnungseinheiten 504, 506 demoduliert. Außerdem verwendet die Steuerungseinrichtung 520 Komplementblöcke 504, 506 zum Durchführen einer Multiplikation mit dem Demodulationsergebnis und den Trainingssequenzbits, die jetzt jeder Kreuzkorrelationsanzapfung entsprechen, d. h. zum Bewirken der notwendigen Multiplikation bei der Kreuzkorrelationsberechnung. Jede zu zählende Kreuzkorrelationsanzapfung entspricht einem anderen Trainingssequenzbit, wodurch für jedes an einem Block ankommende Bit in der Ausgabe von Komplementblöcken 504, 506 eine der Anzahl von Kreuzkorrelationsanzapfungen entsprechende Anzahl übertragener Signale benötigt wird. In Speichereinrichtungen 516, 518 wird das Ergebnis jeder Kreuzkorrelation in seiner eigenen Speicheradresse gespeichert. Jede Kreuzkorrelationsanzapfung wird gleichzeitig nach dem Empfang des Bits gezählt. Unter Verwendung von Maskierungseinrichtungen 508, 510 kann auf Grundlage der Trainingssequenzlage der richtige Moment zum Beginnen einer Kreuzkorrelation ausgewählt werden.
Ein Burstzähler 410 beginnt mit dem Zählen von Bits zu Beginn jedes Burst und überträgt die Informationen zur Steuerung 520. Ein Startindex 528 wird in demjenigen Moment bestimmt, wenn ein Zählen der ersten Anzapfung der Impulsantwort begonnen wird, und ein Endindex 530 wird in demjenigen Moment bestimmt, wenn die letzte Anzapfung gezählt wird. Eine Trainingssequenz 526 wird zur Durchführung einer Korrelation benötigt. Die Trainingssequenz und die Länge der Trainingssequenz 522 können in programmierbaren Registern gespeichert werden. Die Register sind in der Figur nicht gezeigt.
Obwohl die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf das Beispiel der begleitenden Zeichnungen erläutert wurde, ist es offensichtlich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern innerhalb des Umfangs der erfinderischen Idee, die in den zugehörigen Ansprüchen offenbart ist, auf verschiedene Arten modifiziert werden kann.

Claims

Verfahren zum Schätzen einer Impulsantwort in einem digitalen Funksystem, bei dem die zu übertragenden Signale aus Symbolen gebildete Bursts aufweisen, wobei die Bursts eine bekannte Trainingssequenz (208) aufweisen, wobei das Verfahren ein Abtasten von einem empfangenen Signal, ein Messen eines DC-Offset bei den Abtastwerten und ein Korrelieren des Signals mit der bekannten Trainingssequenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist Impulsantwortberechnung durch Korrelieren der genommenen Abtastwerte mit der Trainingssequenz, bevor der DC-Offset entfernt wird, und das Entfernen des DC-Offset-Einflusses aus der berechneten Impulsantwort.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-Offset-Einfluss entfernt wird, indem von der berechneten Impulsantwort ein Korrelationsausdruck subtrahiert wird, der durch Multiplizieren der gemessenen DC-Offset-Werte unter Verwendung der Trainingssequenz mit vorberechneten Multiplikatoren berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Signaldemodulation und Impulsantwortmessung gleichzeitig durchgeführt werden.
Empfänger in einem digitalen Funksystem, bei dem ein empfangenes Signal aus Symbolen gebildete Bursts aufweist, wobei die Bursts eine bekannte Trainingssequenz (208) aufweisen, wobei der Empfänger eine Einrichtung (404) zum Abtasten des empfangenen Signals und eine Einrichtung (412) zum Messen eines DC-Offset bei den Abtastwerten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger aufweist: eine Einrichtung (408) zum Berechnen einer Impulsantwort durch Korrelieren der genommenen Abtastwerte mit der Trainingssequenz, bevor der DC-Offset entfernt wird, und eine Einrichtung (412) zum Entfernen des DC-Offset-Einflusses aus der berechneten Impulsantwort.
Empfänger gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger eine Einrichtung (412) zum Berechnen eines Korrelationsausdrucks durch Multiplizieren der gemessenen DC-Offset-Werte unter Verwendung der Trainingssequenz mit vorberechneten Multiplikatoren und eine Einrichtung (412) zum Subtrahieren des Korrelationsausdrucks von der berechneten Impulsantwort aufweist.