FI110825B

FI110825B - Menetelmä modulaationilmaisimen valintaan vastaanottimessa ja vastaanotin

Info

Publication number: FI110825B
Application number: FI991696A
Authority: FI
Inventors: Mikko Huttunen
Original assignee: Nokia Corp
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2003-03-31
Also published as: EP1119919A1; ATE307425T1; CN1320303A; AU6446100A; US7058148B1; FI19991696A; WO2001011790A1; DE60023260D1; EP1119919B1; ES2249287T3; CN1144382C; DE60023260T2

Description

11 f.f*' o h -j I i o O &. 0

Menetelmä modulaationilmaisimen valintaan vastaanottimessa ja vastaanotin

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy modulaationilmaisimen valintaan vastaanottimessa.

5 Siirrettäessä informaatiota radiokanavan välityksellä täytyy lähetet tävä signaali moduloida. Moduloinnin tarkoituksena on saada signaali sellaiseen muotoon, että se voidaan lähettää radiotaajuudella. Hyvältä modulaatio-menetelmältä voidaan edellyttää esimerkiksi, että pystytään siirtämään mahdollisimman paljon informaatiota mahdollisimman kapealla taajuuskaistalla. 10 Käyttötarkoituksesta riippuen voidaan painottaa myös muita ominaisuuksia. Lisäksi modulaation täytyy olla sellainen, että se aiheuttaa mahdollisimman vähän häiriöitä naapurikanavalle.

Eräs modulaatiomenetelmä on π/4-DQPSK (π/4-shifted, Differential Quaternary Phase Shift Keying) -modulointi. Tässä modulaatiomenetelmässä 15 on kahdeksan vaihetilaa, mutta vain neljä vaihesiirtymää. Sallitut vaihesiirty-mät (symbolit) ovat +π/4 ja +3π/4. Jokainen vaihesiirtymä vastaa kahta lähetettävää bittiä. Toisin sanoen digitaalinen signaali moduloi kantoaaltoa kahden bitin jaksoissa siten, että jokaista kahden bitin yhdistelmää vastaa tietty vaiheen muutos jokaisen symbolijakson aikana. Symbolijaksolla tarkoitetaan sig-20 naalin jaksoa, joka käytetään kahden bitin välittämiseen. Bittiyhdistelmiä 00, ·. 01, 10 ja 11 vastaavat vaiheenmuutokset ovat π/4, 3π/4, -π/4 sekä -3π/4.

Esimerkiksi TETRA (Terrestrial Trunked Radio) -järjestelmässä käytetty sym-bolitaajuus on 18 kHz, jolloin bittitaajuus on 36 kHz.

Vastaanotettaessa signaalia täytyy se demoduloida eli ilmaista sig-25 naaliin moduloidut bitit ilmaisimen avulla, jotta siihen sisältyvä informaatio saadaan selville. Vastaanotin saattaa käsittää useita ilmaisijoita, jotka on optimoitu erilaisiin kanavaolosuhteisiin. Lisäksi voidaan joissakin olosuhteissa tarvita kanavakorjainta. Käytettävän ilmaisimen valinta on tavallisesti toteutettu siten, että ilmaisimet ovat samanaikaisesti toiminnassa ja tuottavat kukin yh-30 teismitallisen virhemetriikka-arvon, jonka avulla voidaan valita kulloinkin olo-

' I

suhteisiin parhaiten sopiva ilmaisin.

Ongelmana yllä kuvatussa järjestelyssä on se, että ilmaisinten ollessa yhtäaikaa toiminnassa vaaditaan ilmaisinalgoritmien suorittamiseen huomattavasti laskentatehoa. Erityisesti ilmaisimeen mahdollisesti liittyvä ka-35 navakorjain vaatii paljon laskentatehoa.

2 '1 '< !V , ι·, I I U U i. v>

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on siten kehittää menetelmä ja menetelmän toteuttava laitteisto siten, että yllä mainitut ongelmat saadaan ratkaistua. Keksinnön tavoitteet saavutetaan menetelmällä ja vastaanottimella, joille on tun-5 nusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa 1 ja 6. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksintö perustuu siihen, että hyödynnetään vastaanottimen sym-bolisynkronoinnista saatavaa ristikorrelaatiotulosta arvioitaessa radiokanava-10 olosuhteiden vaatimaa ilmaisintyyppiä.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja järjestelmän etuna on se, että ilmaisuun tarvittava laskentamäärä saadaan minimoitua vastaanottimessa, koska useita ilmaisimia ei tarvitse pitää toiminnassa samanaikaisesti. Tämä on edullista erityisesti terminaalilaitteissa, joissa laskentakapasiteetti on rajoitettu. 15 Lisäksi keksinnön avulla voidaan valita kulloisiinkin radiokanavaolosuhteisiin optimaalinen ilmaisintyyppi.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista: ; i‘ 20 Kuvio 1 esittää lohkokaavion eräästä keksinnön mukaisesta vas- taanotinrakenteesta ja

Kuvio 2 esittää yksinkertaistetun kaaviokuvan TETRA-järjestelmän kehysrakenteesta.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus 25 Keksintöä selitetään seuraavassa TETRA-järjestelmän yhteydessä, mutta keksintöä ei ole tarkoitus rajoittaa mihinkään tiettyyn järjestelmään tai modulaatiomenetelmään.

Tetra-järjestelmässä siirtotien hallintakerrokselta MAC (Medium Ac-;"· cess Layer) saadut informaatiobitit koodataan lohkokoodauksella ja konvoluu- • ; 30 tiokoodauksella, jotta radiotiellä signaaliin aiheutuvat virheet voitaisiin havaita ja mahdollisesti korjata vastaanotossa. Koodatut bitit lomitetaan siten, että peräkkäiset bitit ovat kaukana toisistaan. Tämä helpottaa virheenkorjausta, jos I'·.. lähetettävään signaaliin kohdistuu radiotiellä hetkellinen häiriö. Lomitetut bitit : sekoitetaan käyttämällä tiettyä värikoodia, jonka avulla eri tukiasemien lähe- 35 tykset voidaan tunnistaa. Multipleksoinnissa yhdistetään eri loogisten kanavien 3 110825 bittejä. Multipleksoiduista biteistä muodostetaan tämän jälkeen purske. Purske on rakenne, joka lähetetään yhdessä TDMA (Time Division Multiple Access) aikavälissä tai aliaikavälissä. Purske koostuu databittikentistä 20 ja 22 sekä niiden välissä purskeen keskellä olevasta opetusjaksosta 21, kuten kuviossa 2 5 on havainnollistettu. Opetusjakso 21 on jokin ennalta määritetty bittisekvenssi, joka on talletettu vastaanottimen muistiin siten, että vastaanotetun signaalin käsittämää opetusjaksoa voidaan verrata tallennettuun opetusjaksoon. Opetusjaksoa 21 voidaan käyttää esimerkiksi vastaanoton synkronointiin sekä vastaanotetun signaalin tunnistamiseen. Differentiaalikoodaus muodostaa 10 purskeen bittipareista moduloivia symboleita. Symbolien ohjauksella moduloitu kantoaalto vahvistetaan lähettimessä ja lähetetään radiotielle.

Modulointi on edellä kuvattu π/4-DQPSK (π/4-shifted, Differential Quaternary Phase Shift Keying) -modulointi. Tässä modulaatiomenetelmässä on kahdeksan vaihetilaa, mutta vain neljä vaihesiirtymää. Sallitut vaihesiirty-15 mät (symbolit) ovat +π/4 ja +3π/4. Käytännössä siis π/4-DQPSK-konstellaatio vaihtelee symbolin välein kahden 4-pisteisen konstellaation välillä.

Kuviossa 1 on esitetty lohkokaavio eräästä keksinnön mukaisesta vastaanotinrakenteesta esimerkiksi TETRA-järjestelmää varten. Vastaanottimesta on kuvattu vain keksinnön ymmärtämisen kannalta oleelliset osat. j 20 Vastaanotossa saadaan signaali antennilta (ei esitetty) ja radiotaajuiset osat (ei esitetty) käsittelevät ensin signaalia. Tämän jälkeen otetaan A/D-:'· muuntimilla (ei esitetty) näytteitä välitaajuisesta signaalista. Näytteet syötetään ... synkronointilohkolle 100, kuten kuviossa 1 on havainnollistettu signaalilla IN.

:· Synkronointilohko 100 etsii kehysrakenteeseen kuuluvaa opetusjaksoa 21 ! . 25 saaduista näytteistä. Sen avulla synkronointilohko pystyy määrittämään tar kasti ideaalisen näytteenottohetken eli kaikkien symbolien paikat näytevirras-sa. Tätä kutsutaan myös symbolisynkronoinniksi. Tämä tapahtuu siten, että lasketaan kompleksista ristikorrelaatiota vastanotetun signaalin purskeen opetusjakson 21 ja tallennetun opetusjakson välillä erilaisilla näytteenottohet-30 kiliä. Ristikorrelaatiolla tarkoitetaan yleisesti kahden signaalin tulon integraalia, joka kuvaa sitä, kuinka hyvin signaalit vastaavat toisiaan. Tällöin se vasta-notetun signaalin näytteenottohetki, joka tuottaa ristikorrelaatiolle maksimiarvon, on ideaalinen näytteenottohetki ja synkronointi suoritetaan sen mukaisesti ; kuten on tunnettua. Tässä TETRA-järjestelmän yhteydessä selostetussa esi- 35 merkkitapauksessa laskettava ristikorrelaatio on kompleksinen, koska signaali IN on kompleksinen signaali. Synkronointilohko 100 ohjaa myös vastaanotti- 4 Λ Λ Γ' f\ Γν Γ* I ίυοζο men radiotaajuisia osia siten, että A/D-muuntimelle tuleva signaali pysyisi optimaalisella tasolla.

Keksinnön perusajatuksen mukaisesti käytetään synkronoinnista 100 saatavaa korrelaatiotietoa hyväksi arvioitaessa radiokanavaolosuhteiden 5 vaatimaa ilmaisintyyppiä 103A tai 103B. Synkronoinnista 100 saadun ristikor-relaatiotuloksen maksimi vastaa siis ideaalista synkronointikohtaa, kuten edellä esitettiin. Ideaalitilanteessa, kun radiotiellä ei esiinny häiriöitä, tästä ideaalisesta synkronointikohdasta symbolijakson päässä edessä ja takana ovat ristikorrelaation nollakohdat. Toisin sanoen, kun näytteenottokohtaa siirretään 10 symbolijakson verran eteen- tai taaksepäin ideaalisesta näytteenottokohdasta ja lasketaan näin saadun opetusjakson ristikorrelaatio tallennetun opetusjakson kanssa on tulos ideaalitilanteessa nolla. Mikäli radiokanavassa kuitenkin esiintyy monitie-etenemistä alkaa näissä ristikorrelaation nollakohdissa esiintyä nollasta poikkeavia arvoja eli tehoa. Tässä selityksessä viitataan termillä 15 ristikorrelaation nollakohta siis edellä kuvattuun symbolijakson päässä ristikorrelaation maksimista määritettyyn ristikorrelaatioon, joka ideaalitilanteessa, kun radiotiellä ei ole häiriöitä antaa tulokseksi nolla, mutta joka ei häiriöiden esiintyessä välttämättä ole nolla.

Radiotielle on tyypillistä, että lähetetty signaali saapuu vastaanotti-. 20 meen useita etenemisteitä pitkin, joilla jokaisella on sille ominainen aikaviive, minkä lisäksi kanavan ominaisuudet muuttuvat ajan funktiona. Esimerkiksi ra-diotiellä heijastuneet ja viivästyneet säteet aiheuttavat symbolien välistä ylikuulumista (ISMntersymbol Interference). Kanavan taajuusvastetta tai im-:· pulssivastetta voidaan estimoida diskreettiaikaisella suodattimena, kanavaes- . 25 timaattorilla, jonka tappikertoimet mallintavat radiokanavaa. Kanavaestimaa- tilla pyritään kuvaamaan radiokanavan tilaa. Tässä selityksessä kanavaesti-maattorilla käsitetään yleisesti mekanismia, joka estimoi ja ylläpitää kuvausta radiokanavan kompleksisesta impulssivasteesta. Tähän mekanismiin liittyy olennaisesti menetelmä, jolla kanavaestimaattia päivitetään. TETRA-•, · 30 järjestelmässä kanavaestimaattien päivittämiseen voidaan käyttää esimerkiksi LMS (Least Mean Square) -algoritmia. Jotta LMS-algoritmin konvergoituminen ‘ ennen varsinaisten informaatiobittien alkua varmistettaisiin, on ilmaisimen 103A tai 103B saatava mahdollisimman hyvä alkuestimaatti kanavan tilasta. Tämä estimaatti saadaan synkronoinnilta 100, joka etsiessään optimaalista f\ 35 näytteenottohetkeä laskee kompleksista ristikorrelaatiota vastaanotetun sig- : ·. naalin opetusjakson 21 ja opetusjakson tallennetun version välillä. Ristikorre- 5 1iug:ib laatiotuloksesta saadaan kanavaestimaatille alkuarvo, joka kuvaa kanavan keskimääräistä tilaa opetusjakson aikana. Kanavakorjaus ja symbolien ilmaiseminen aloitetaan vasta, kun opetusjakso on vastaanotettu. Tämä siksi, että symbolisynkronointi kykenee säätämään symboliajastuksen mahdollisimman 5 tarkaksi ja muodostamaan kanavan alkuestimaatin. Sekä eteenpäin- että taaksepäin suoritettava kanavakorjaus tapahtuu edullisesti siten, että estimaattien alustusten jälkeen lähdetään liikkeelle siten, että opetetaan ilmaisinta 103A tai 103B opetusjakson 21 yli kohti purskeen loppua tai vastaavasti alkua. Jos monitie-etenemistä esiintyy merkittävästi, on siis edullisempaa käyttää ka-10 navakorjaimella varustettua ilmaisinta ja toisaalta, jos monitie-etenemistä ei esiinny voidaan ilmaisimena käyttää esimerkiksi tavanomaista differentiaali-ilmaisinta.

Synkronointilohko 100 antaa vastaanotetun signaalin kehyksen va-litsinyksikölle 102, joka korrelaatiotiedon perusteella valitsee käytettävän ilmai-15 simen 103A tai 103B ja syöttää kehyksen edelleen valitulle ilmaisinlohkolle 103A tai 103B lähdön A tai B kautta. Ilmaisin 103A tai 103B ilmaisee infor-maatiobitit ja siihen mahdollisesti liittyvä kanavakorjain korjaa radiotiekanavan aiheuttamia epäideaalisuuksia tunnetulla tavalla kuten edellä on selostettu. Lopuksi muodostetaan kehystyksessä 104 kehyksestä looginen kanava, joka 20 lähetetään edelleen jatkokäsittelyyn OUT.

Γ Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti määritetään synk ronoinnissa 100 vastaanotetun signaalin opetusjakson 21 ja tallennetun opetusjakson kompleksinen ristikorrelaatio toisessa tai molemmissa ristikorrelaati-; on nollakohdista, kuten aiemmin on määritelty. Jos ristikorrelaatio lasketaan 25 molemmissa nollakohdissa, voidaan saaduista kahdesta arvosta määrittää esimerkiksi keskiarvo tai ne voidaan summata, jolloin saadaan yksi ristikorre-laatioarvo. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää jatkotarkastelussa myös kahta erillistä ristikorrelaatioarvoa. Saadun kompleksisen ristikorrelaation itseisarvon (tai itseisarvojen) avulla valitaan valitsimella 102 symbolien ilmaisuun käytettä-;/· 30 vä ilmaisin 103A tai 103B. Toinen korjaimista esimerkiksi 103A käsittää edulli sesti kanavakorjaimen, jolloin jos määritetyn kompleksisen ristikorrelaation it-seisarvo ylittää tietyn ennalta asetetun raja-arvon, käytetään kanavakorjai-mella varustettua ilmaisinta 103A ja jos määritetyn kompleksisen ristikorrelaa-. tion itseisarvo alittaa tietyn ennalta asetetun raja-arvon käytetään toista ilmai- ; 35 sinta 103B, joka on esimerkiksi differentiaali-ilmaisin. Ilmaisintyyppejä voi olla myös useampia kuin kaksi ja ne voivat poiketa edellä esitetyistä ilman, että 6 i '· r ' » 0 v £ v3 tällä on merkitystä keksinnön perusajatuksen kannalta. Edullisesti vain se ilmaisin 103A tai 103B, jota käytetään ilmaisuun, on toiminnassa, jolloin minimoidaan ilmaisuun tarvittava laskentateho.

Edelleen keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti ilmaisi-5 men 103A tai 103B valinta suoritetaan keskiarvoistamalla usean vastaanotetun aikavälin ristikorrelaatioarvot. Tämä voi tapahtua esimerkiksi keskiarvois-tajan 101 avulla, joka saa korrelaatiotiedot synkronoinnilta 100, kuten kuviossa 1 on esitetty. Tällöin valitsimelle 102 syötetään laskettu keskiarvotieto, jonka perusteella ilmaisimen valinta suoritetaan. Keskiarvo lasketaan esimerkiksi jo-10 kaisen vastaanotetun purskeen jälkeen tietylle määrälle edeltäneitä purskeita. Ilmaisimen valinta 102 suoritetaan esimerkiksi vertaamalla keskiarvoa johonkin ennalta määrättyyn raja-arvoon samoin kuin jo edellä on kuvattu.

Edellä on keksinnön ymmärtämisen helpottamiseksi kuvattu eräs esimerkki vastaanottimen yleisestä rakenteesta. Vastaanottimen rakenne voi 15 kuitenkin vaihdella ilman, että poiketaan esillä olevasta keksinnöstä. Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

t I

« t » • t « I ·

Claims

11ϋο-tb

1. Menetelmä modulaationilmaisimen valintaan vastaanottimessa, joka käsittää ainakin ensimmäisen ja toisen ilmaisimen, jolloin menetelmä käsittää vaiheet, joissa 5 määritetään ainakin yksi ristikorrelaatioarvo vastaanotetun signaalin käsittämän ainakin yhden opetusjakson ja tallennetun opetusjakson välillä, tunnettu siitä, että valitaan vastaanotettavan signaalin ilmaisussa kulloinkin käytettävä ilmaisin määritetyn ainakin yhden ristikorrelaatioarvon perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaihe ainakin yhden ristikorrelaatioarvon määrittämiseksi käsittää vaiheet, joissa etsitään vastaanotetun signaalin ideaalinen synkronointikohta, jossa ristikorrelaatio vastaanotetun signaalin käsittämän opetusjakson ja tallennetun 15 opetusjakson välillä saa maksimiarvon sekä lasketaan ristikorrelaatioarvo tallennetun opetusjakson ja vastaanotetun signaalin käsittämän opetusjakson välillä, joka saadaan, kun vastaanotetun signaalin synkronointikohtaa on siirretty symbolijakson verran eteenpäin ideaalisesta synkronointikohdasta, ja/tai 20 lasketaan ristikorrelaatioarvo tallennetun opetusjakson ja vastaan otetun signaalin käsittämän opetusjakson välillä, joka saadaan, kun vastaan-’ otetun signaalin synkronointikohtaa on siirretty symbolijakson verran taakse päin ideaalisesta synkronointikohdasta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että vastaanotettu signaali on kompleksinen signaali, jolloin määritettävä ainakin yksi ristikorrelaatioarvo on kompleksinen ristikorrelaatioarvo.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ; ·. suoritetaan vaihe ainakin yhden ristikorrelaatioarvon määrittämisek- 30 si ennalta määrätylle määrälle vastaanotetun signaalin opetusjaksoja, ' · lasketaan määritettyjen ristikorrelaatioarvojen keskiarvon itseisarvo ja valitaan vastaanotettavan signaalin ilmaisuun ensimmäinen ilmaisin, jos ristikorrelaatioarvojen keskiarvon itseisarvo ylittää ennalta asetetun 35 raja-arvon, ja toinen ilmaisin, jos ristikorrelaatioarvojen keskiarvon itseisarvo alittaa ennalta asetetun raja-arvon. 8 11GSG5

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäinen ilmaisin sisältää kanavakorjaimen.

6. Vastaanotin, joka käsittää ensimmäisen (103A) ja toisen (103B) modulaationilmaisimen, 5 välineet (100) ainakin yhden ristikorrelaatioarvon määrittämiseksi vastaanotetun signaalin (IN) käsittämän ainakin yhden opetusjakson (21) ja tallennetun opetusjakson välillä, tunnettu siitä, että vastaanotin käsittää lisäksi välineet (102) vastaanotettavan signaalin ilmaisussa kulloinkin 10 käytettävän ilmaisimen (103A, 103B) valitsemiseksi vasteellisesti määritetylle ainakin yhdelle ristikorrelaatioarvolle.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen vastaanotin, tunnettu siitä, että välineet (100) ainakin yhden ristikorrelaatioarvon määrittämiseksi on sovitettu 15 etsimään vastaanotetun signaalin (IN) ideaalinen synkronointikohta, jossa ristikorrelaatio vastaanotetun signaalin käsittämän opetusjakson (21) ja tallennetun opetusjakson välillä saa maksimiarvon sekä laskemaan ristikorrelaatioarvo tallennetun opetusjakson ja vastaanotetun signaalin käsittämän opetusjakson välillä, joka saadaan, kun vastaan-20 otetun signaalin synkronointikohtaa on siirretty symbolijakson verran eteenpäin ideaalisesta synkronointikohdasta, ja/tai laskemaan ristikorrelaatioarvo tallennetun opetusjakson ja vastaanotetun signaalin käsittämän opetusjakson välillä, joka saadaan, kun vastaanotetun signaalin synkronointikohtaa on siirretty symbolijakson verran taakse-25 päin ideaalisesta synkronointikohdasta.

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen vastaanotin, tunnettu siitä, että vastaanotettu signaali (IN) on kompleksinen signaali, jolloin määritettävä ainakin yksi ristikorrelaatioarvo on kompleksinen ristikorrelaatioarvo.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen vastaanotin, tunnettu siitä, ·,- 30 että vastaanotin lisäksi käsittää välineet (101), jotka on sovitettu keräämään ennalta määrätyn määrän vastaanotetun signaalin , (* opetusjaksoista määritettyjä ristikorrelaatioarvoja ja laskemaan määritettyjen ristikorrelaatioarvojen keskiarvon itseisar- I I » vo, jolloin välineet (102) ilmaisimen valitsemiseksi on sovitettu 35 valitsemaan vastaanotettavan signaalin ilmaisuun ensimmäinen il maisin (103A), jos ristikorrelaatioarvojen keskiarvon itseisarvo ylittää ennalta 1 "i f. '-'.‘/K g 11 'w A· V asetetun raja-arvon, ja toinen ilmaisin (103B), jos ristikorrelaatioarvojen keskiarvon itseisarvo alittaa ennalta asetetun raja-arvon.

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen vastaanotin, tunnettu siitä, että ensimmäinen ilmaisin (103A) sisältää kanavakorjaimen. t * • · • · • * · > * I I S.· O