DE69831097T2

DE69831097T2 - Verfahren zur abschätzung des frequenzfehlers

Info

Publication number: DE69831097T2
Application number: DE69831097T
Authority: DE
Inventors: Mikko Huttunen
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2018-12-22
Also published as: EP1042876B1; FI974598A0; FI974598A; US6771718B1; WO1999033217A2; DE69831097D1; EP1042876A2; FI105629B; WO1999033217A3; AU1761599A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung eines Frequenzfehlers in einem Kommunikationssystem, insbesondere in einem mobilen Kommunikationssystem, in welchem Verfahren Abtastungssätze von einem zu empfangenden Signal an bestimmten Punkten, die den Symbolfolgepunkten eines Empfängers entsprechen, nacheinander abgetastet werden und Frequenzfehlerschätzungen, die jedem Abtastpunkt entsprechen, auf der Basis der Abtastungssätze, die an den Abtastpunkten abgetastet werden, bestimmt werden.
Beim Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Kommunikationsgeräten muss ein Empfangsgerät mit einem zu empfangenden Signal synchronisiert werden, damit die Übertragung von Information möglich ist. Insbesondere bei Mobilkommunikationssystemen, in welchen miteinander kommunizierende Geräte keine getrennte Synchronisationsverbindung haben, aber jedes Gerät einen eigenen Oszillator aufweist, müssen die Frequenzen der Geräte gegenseitig synchronisiert werden, wenn eine Verbindung hergestellt wird. Zum Beispiel beträgt beim terrestrischen Bündelfunk- oder TETRA-System (für engl. Terrestrial Trunked Radio), wenn bei einer Frequenz von 400 MHz funktionierend, eine typische maximale Abweichung einer Basisstation ±40 Hz von der Nennfrequenz, und der entsprechende Wert eines Endgeräts beträgt ±800 Hz. Wenn zwei Endgeräte miteinander kommunizieren (ein so genannter Direktmoduskanal), kann der gegenseitige Frequenzunterschied der Geräte schlimmstenfalls auf bis zu 1.600 Hz ansteigen. Wenn die Basisstation und das Endgerät miteinander kommunizieren kann der Unterschied auch in diesem Fall 800 Hz überschreiten. Damit jedoch eine Verbindung funktioniert, darf der Unterschied nur etwa höchstens 300 Hz betragen. Beim Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Kommunikationsgeräten muss zuerst der Frequenzfehler eines zu empfangenden Signals im Vergleich zur Empfängerfrequenz festgestellt werden, und die Frequenz des Empfangsgeräts muss dementsprechend eingestellt werden.
Es gibt mehrere Verfahren zum Erkennen und Ausgleichen des Frequenzfehlers. Zum Beispiel kann der Empfänger auf verschiedene Frequenzen eingestellt werden, bis die korrekte Frequenz gefunden ist. Es ist auch bekannt, das zu empfangende Signal abzutasten und den Signalfrequenzfehler auf der Basis der Abtastungen zum Beispiel mittels einer Fourier-Transformation oder durch Verwenden eines Mehrfachsignalklassifizierungs- oder MUSIC-Algorithmus (für engl. Multiple Signal Classification) zu schätzen.
Ein Nachteil dieser bekannten Verfahren ist Langsamkeit. Herkömmlicherweise ist in zellularen Kommunikationssystemen genügend Zeit, um den Frequenzfehler des zu empfangenden Signals festzustellen und auszugleichen. Dagegen erfolgt zum Beispiel im neuen TETRA-System die Verbindungsherstellung wesentlich schneller als in früheren Systemen, was strengere Anforderungen an die Zeit stellt, die zur Feststellung des Frequenzfehlers verfügbar ist. Eine besonders schnelle Fehlerfeststellung ist erforderlich, wenn im Direktmoduskanal des TETRA-Systems gearbeitet wird. Wenn der Frequenzfehler des zu empfangenden Signals nicht rechtzeitig festgestellt und ausgeglichen wird, kann dies zu einem totalen Verlust der ankommenden Information führen.
Das Dokument EP 0757451 offenbart einen Digitaldatenfunkempfänger, der eine Datensignalpräambel, die auf einer Antenne empfangen wird, beurteilt, um festzustellen, ob die Antenne das Datensignal, das auf die Präambel folgt, empfangen soll. Der Empfänger stellt Frequenzversätze von einer gewünschten Frequenz für jedes Symbol in einem Block von Symbolen in der Präambel fest, stellt die Varianz der Frequenzversätze fest, stellt die Durchschnittsgröße der Symbole im Block von Symbolen fest und beurteilt die Varianz und die Durchschnittsgröße für den Block von Symbolen, um festzustellen, ob die Präambel tatsächlich ein Rauschen ist, und die Empfangsqualität an der Antenne zu beurteilen. Gemäß der offenbarten Lösung wird der Frequenzversatz durch Ermitteln des Durchschnitts der Phasendrehung von Symbol zu Symbol während der Präambel geschätzt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, mit dessen Hilfe ein Frequenzfehler eines zu empfangenden Signals mit einer ausreichenden Genauigkeit schnell festgestellt werden kann, damit ein Empfänger vor der tatsächlichen Übertragung auf eine korrekte Frequenz eingestellt werden kann. Dies wird mit dem Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 erreicht.
Das Verfahren der Erfindung basiert auf der Idee, dass die Varianz verwendet wird, um die zuverlässigste Frequenzfehlerschätzung aus einer Mehrzahl von Schätzungen auszuwählen, die auf der Basis von Abtastungssätzen berechnet wurden, die vom Signal abgetastet wurden. Ein Vorteil bei dem Verfahren ist die Schnelligkeit im Vergleich zu den früher bekannten Verfahren. Im TETRA-System kann ein Frequenzfehler von bis zu 2 kHz mit dem Verfahren der Erfindung schnell genug korrigiert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei
1 Signale verschiedener Arten auf eine vereinfachte Art und Weise veranschaulicht; und
2 ein Flussdiagramm ist, das die Erfindung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die hierin beschriebene Ausführungsform veranschaulicht die Verwendung des Verfahrens in Verbindung mit dem TETRA-System. Das TETRA-System setzt eine Vierphasendifferenz- oder π/4-DQPSK-Modulation (für engl. Differential Quaternary Phase Shift Keying) ein, wodurch ein digitales Signal mit einem Träger in Zweibitfolgen derart moduliert wird, dass eine bestimmte Phasenverschiebung jeder Zweibitkombination am Beginn jeder Symbolfolge entspricht. Eine Symbolfolge bezieht sich auf eine Signalfolge, welche zum Übertragen von zwei Bits verwendet wird. Die Phasenverschiebungen, welche den Bitkombinationen 00, 01, 10 und 11 entsprechen, sind π/4, 3π/4, –π/4 und –3π/4. Die Symbolfrequenz, die im TETRA-System verwendet ist, beträgt 18 kHz, und folglich beträgt die Bitfrequenz 36 kHz. Damit Datenübertragung zwischen zwei Kommunikationsgeräten möglich ist, muss eine Symbolsynchronisation zwischen ihnen bestehen, d.h. das Empfangsgerät muss die Position von Symbolfolgen im empfangenen Signal kennen, damit die Demodulation erfolgreich ist. 1 stellt Kurven 1, 2 und 3 dar, welche drei sinusförmige Signale veranschaulichen, welche jeweils eine Länge von zwei Symbolfolgen aufweisen. Die Symbolfolgegrenzen befinden sich an den Punkten 4, 5 und 6. Kurve 1 veranschaulicht eine verschiedene Frequenz von Kurve 2 und 3, aufgrund dessen sich die Symbolfolgen von Kurve 1 in der Länge von den Symbolfolgen von Kurve 2 und 3 unterscheiden. Kurve 2 setzt eine π/4-DQPSK-Modulation ein, und am Beginn 5 der zweiten Symbolfolge findet eine Phasenverschiebung von π/4 im Vergleich zu Kurve 3 statt, bei der keine Modulation vorliegt und folglich keine Phasenverschiebung an der Grenze 6 der Symbolfolgen stattfindet.
Beim Herstellen einer Verbindung sendet eine mobile Sendestation zuerst einen Synchronisierburst. In 1 veranschaulicht Kurve 1 das Frequenzsignal des Empfängers und Kurve 3 das des Senders. Kurve 2 veranschaulicht das Senderfrequenzsignal, das moduliert wird. Der Klarheit halber sind die Kurven sinusförmig dargestellt, und der Frequenzunterschied zwischen dem Sender und dem Empfänger wurde vergrößert. In der mobilen Empfangsstation wird das empfangene modulierte Signal 2 an bestimmten Punkten b_1n, b_2n und b_3n von Kurve 2, welche den Punkten a_1n, a_2n und a_3n der Symbolfolge der Empfängerfrequenzkurve 1 entsprechen, wobei n = 1 ... N und N die Anzahl von Abtastungen ist, abgetastet 201. So werden die Abtastpunkte im empfangenen Signal auf der Basis der Empfängerfrequenz bestimmt, da die Frequenz des empfangenen Signals noch nicht genau bekannt ist. Es gibt zum Beispiel drei Abtastpunkte pro Symbolfolge des Empfängers, wodurch die Abtastfrequenz bei 18 kHz der Symbolfrequenz 54 kHz beträgt. Die Genauigkeit der zu bestimmenden Frequenzfehlerschätzung ist umso besser, je mehr Abtastpunkte pro Symbolfolge es gibt. Zum Beispiel werden einhundert Abtastungen pro Abtastpunkt vorgenommen, d.h. einhundert aufeinander folgende Symbolfolgen werden eine Abtastung jeweils für jeden Abtastpunkt abgetastet. Jeder dieser Abtastpunkte wird so behandelt, als ob er der bestmögliche Abtastpunkt wäre, dessen Symbolsynchronisation in einer idealen Situation erzeugt werden würde. In der idealen Situation ist die Frequenz des zu empfangenden Signals genau bekannt, und gleichermaßen sind die Positionen der Symbolfolgen in dem zu empfangenden Signal bekannt. Demnach würde nur eine Abtastung pro Sendersymbolfolge genügen, da man sicher sein kann, dass das Signal am richtigen Punkt abgetastet wird.
Phasenunterschiede zwischen entsprechenden Abtastpunkten in aufeinander folgenden Symbolfolgen werden durch Subtrahieren von der Phase des Abtastpunkts der Phase des entsprechenden Abtastpunkts in der vorhergehenden Symbolfolge berechnet. Bei der Frequenzfehlerberechnung muss eine symbolfolgespezifische Phasenverschiebung, die durch Modulation verursacht wird, aus dem Phasenunterschied beseitigt werden, so dass der Phasenunterschied nur den Frequenzfehler des Signals darstellt. Dies wird durch Suchen nach der wahrscheinlichsten Phasenverschiebung (π/4, 3π/4, –π/4 oder –3π/4), welche der Symbolfolge entspricht, bewirkt. Wenn der Phasenunterschied, der durch den Signalfrequenzfehler verursacht wird, im Vergleich zur Phasenverschiebung, die der Symbolfolge entspricht, klein ist und infolgedessen sein Anteil am berechneten Phasenunterschied klein ist, kann die wahrscheinlichste Phasenverschiebung, welcher der Symbolfolge entspricht, durch Überprüfen, welche der vier Phasenverschiebungen (π/4, 3π/4, –π/4 oder –3π/4) der Symbolfolge dem berechneten Phasenunterschied am nächsten kommt, abgeleitet werden. Die abgeleitete Phasenverschiebung, welche der Symbolfolge entspricht, wird vom berechneten Phasenunterschied der Abtastpunkte subtrahiert. Der restliche Phasenunterschied Δθ_n stellt die Senderfrequenzabweichung von der Empfängerfrequenz dar. In 1 veranschaulicht Kurve 3 das empfangene Signal, von welchem Modulation abgezogen wird, und der Unterschied der Phasen der entsprechenden Abtastpunkte der aufeinander folgenden Symbolfolgen stellt direkt den Signalfrequenzunterschied in Bezug auf das Referenzsignal 1 dar. Zum Beispiel stellt der Unterschied der Phasen der Abtastpunkte c₁₂ und c₁₁ den Frequenzunterschied zwischen Kurve 1 und 3 dar.
Eine Frequenzfehlerschätzung f_errk, welche jedem Abtastpunkt k entspricht, wird über eine bestimmte Zeit, d.h. über eine bestimmte Anzahl von Abtastungen N, basierend auf der Phasenänderung Δθ_n des empfangenen Signals pro Symbolfolge des Empfängers, wobei die Symbolfrequenz 18 kHz beträgt, mit der folgenden Formel berechnet:
wobei

k: = Folgenzahl eines Abtastpunkts;
N: = Anzahl von Abtastungen;
Δθ_n: = Signalphasenverschiebung pro Symbolfolge an einem bestimmten Abtastpunkt.

Die Zeit, die zur Berechnung erforderlich ist, kann durch Ändern der Anzahl N von Abtastungen gesteuert werden; je mehr Abtastungen vorgenommen werden, umso länger dauert die Berechnung.
Die zuvor beschriebene Abtastung 201 und Bestimmung des Frequenzfehlers f_err wird zum Beispiel bei drei aufeinander folgenden Abtastungssätzen wiederholt, wobei drei Frequenzfehlerschätzungen f_errkm, wobei k = 1 ... 3 und m = 1 ... 3, für jeden der drei Abtastpunkte erhalten werden. Der Durchschnitt x _k der Frequenzfehlerschätzungen wird an jedem Abtastpunkt berechnet. Danach wird die Varianz der Frequenzfehlerschätzungen jedes Abtastpunkts mit der allgemeinen Varianzformel berechnet 203:
wobei

k: = Folgenzahl eines Abtastpunkts;
f_errkm: = Frequenzfehlerschätzung m am Abtastpunkt k;
x _k: = Durchschnitt von Frequenzfehlerschätzungen am Abtastpunkt k.

Der Durchschnitt x _k der Frequenzfehlerschätzungen dieses Abtastpunkts k₁, dessen Varianz s 2 / k am geringsten ist, wird als die Frequenzfehlerendschätzung ausgewählt 204. Auf der Basis der so erhaltenen Frequenzfehlerschätzung wird die Frequenz des Empfängers nahe genug an der Frequenz des empfangenen Signals eingestellt, demzufolge die tatsächliche Symbolsynchronisation beginnt.
Auch wenn das Verfahren hierin so beschrieben wird, dass es in Verbindung mit dem TETRA-System angewendet wird, beschränkt dies keinesfalls die Anwendung des Verfahrens auf andere Arten von Kommunikationssystemen. Die Erfindung kann in Verbindung mit verschiedenen Modulations- und Multiplexverfahren und Kombinationen davon verwendet werden, ohne die Grundidee der Erfindung zu ändern. Für einen Fachmann ist zu erkennen, dass die Grundidee mit fortschreitender Technologie in vielfältiger Weise realisiert werden kann. Daher sind die Erfindung und ihre Ausführungsformen nicht auf die zuvor beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können im Rahmen der angehängten Ansprüche variieren.

Claims

Verfahren zur Schätzung eines Frequenzfehlers in einem Kommunikationssystem, insbesondere in einem mobilen Kommunikationssystem, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: wiederholtes Abtasten (201) eines zu empfangenden Signals an bestimmten Abtastpunkten, welche bestimmten Symbolfolgepunkten entsprechen und auf der Basis der Frequenz an einem Empfänger bestimmt werden, in aufeinander folgenden Symbolfolgen, um eine Mehrzahl von Abtastungssätzen für jeden Abtastpunkt zu erhalten, Bestimmen (202) von Frequenzfehlerschätzungen für jeden Abtastpunkt auf der Basis der Abtastungssätze, die an dem betreffenden Abtastpunkt abgetastet wurden, umfassend die Beseitigung von symbolfolgespezifischen Phasenverschiebungen, die durch Modulation verursacht werden, Berechnen (203) der Varianz von Frequenzfehlerschätzungen über die Mehrzahl von Abtastungssätzen für jeden Abtastpunkt und Bestimmen (204) der Frequenzfehlerschätzung des zu empfangenden Signals auf der Basis der Frequenzfehlerschätzungen für den Abtastpunkt, für welchen die Varianz von Frequenzfehlerschätzungen am geringsten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchschnitt der Frequenzfehlerschätzungen für den Abtastpunkt, für welchen die Varianz von Frequenzfehlerschätzungen am geringsten ist, als die Frequenzfehlerschätzung des zu empfangenden Signals ausgewählt wird (204).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es vorzugsweise drei Abtastpunkte pro Symbolfolge gibt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es vorzugsweise drei Abtastungssätze pro Abtastpunkt gibt.