FI94809C - Radiokanavan häipymissimulaattori ja menetelmä häipymisen simuloimiseksi - Google Patents

Description

1 94809

Radiokanavan häipymissimulaattori ja menetelmä häipymisen simuloimiseksi Tämän keksinnön kohteena on radiokanavan häipymis-5 simulaattori ja menetelmä häipymisen simuloimiseksi.

Monitie-eteneminen (multipath propagation) on ilmiö, jonka radioaallot kokevat edetessään ympäristössä, jossa on heijastavia kohteita (esim. rakennuksia, autoja, puita, ihmisiä, jne.). Osa kohteista voi olla paikallaan 10 ja osa liikkuvia. Monitie-etenemisen takia vastaanottimeen tuleva radiosignaali on lineaarinen yhdistelmä useista radiosignaaleista, joiden keskinäiset vaiheet, amplitudit ja viiveet poikkeavat toisistaan. Viive-erot Johtuvat siitä, että heijastellessaan eri kohteista radioaallot kulke-15 vat väliaineessa eripituiset matkat. Koska osa heijastavista kohteista ja myös lähetin tai vastaanotin tai molemmat voivat olla liikkeessä, suhteelliset vaiheet, amplitudit ja viiveet muuttuvat koko ajan. Eri teitä saapuvat radioaallot voivat vastaanottimessa yhdistyä joko toisiaan 20 kumoavasti tai vahvistavasti. Koska kanavan tila muuttuu koko ajan, signaalivoimakkuus vastaanottimessa muuttuu vastaavasti. Ilmiötä kutsutaan häipymiseksi (fading).

Häipymissimulaattori (fading simulator) on laite, jolla laboratorio-olosuhteissa simuloidaan häipyvää ra-25 diokanavaa. Laitteen tuloon syötetään ideaalinen radiosignaali joko kantataajuusmuodossa tai RF-keskitaajuudella ja lähdöstä saadaan häipyvä signaali. Häipymissimulaattoreita käytetään radiovastaanottimien suorituskykymittauksissa. Järjestelmiä, joissa häipymissimulaattoreita tarvitaan, 30 ovat mm. yhteiseurooppalainen digitaalinen matkapuhelinjärjestelmä GSM, USA:n ja Japanin vastaavat digitaaliset solukkopuhelinjärjestelmät, Englannin DCS-1800 solukkopu-helinjärjestelmä, hajaspektrijärjestelmät sekä sotilastie-toliikennejärjestelmät.

, 94809

Keskeiset parametrit häipymissimulaattoreita käsiteltäessä ovat viivehaje, viiveresoluutio ja kanavan päi-vitysnopeus. Viivehajeella (delay spread) tarkoitetaan radiokanavan impulssivasteen viiveeltään lyhimmän ja pisim-5 män merkittävän signaalikomponentin välistä viive-eroa.

Esim. kaupunkialueilla viivehaje on tyypillisesti luokkaa 3...5 us. Vaatimus suuresta viivehajeesta yhdistettynä tarkkaan viiveresoluutioon johtaa teknisesti monimutkaiseen simulaattorin toteutukseen, kun halutaan tehdä mah-10 dolliseksi minkä tahansa viivekomponentin simulointi nollasta maksimiviiveeseen viiveresoluution osoittamalla tarkkuudella. Simuloinnissa tarvittavien viivekomponent-tien lukumäärä on viivehaje jaettuna viiveresoluutiolla. Jokainen viivekomponentti kerrotaan kompleksisella ajasta 15 riippuvalla satunnaisluvulla. Koska viivekomponentteja on paljon, joudutaan tekemään suuri määrä kertolaskutoimituk-sia.

Suunta tietoliikennetekniikassa on yhä suurempiin siirtonopeuksiin ja kaistanleveyksiin. Samaan suuntaan 20 kehittyy myös hajaspektritekniikka. Tyypillinen saavutettavissa oleva viiveresoluutio tämän päivän CMOS-digitaali-tekniikalla on luokkaa 30 ns. Ulkotilojen simuloinneissa tarvittavat suurimmat viiveet ovat luokkaa 10...20 us ja joskus ylikin. Tämä tarkoittaa noin 300...600 viivekom-25 ponenttia. Tällä hetkellä olemassa olevilla IC-piireillä kyetään toteuttamaan vain luokkaa kymmeniä viivekomponentteja. Nykyisin käytössä olevilla ratkaisuilla saadaan aikaan suuri viivehaje ja tarkka viiveresoluutio, mutta samanaikaisesti ei voida toteuttaa mitä tahansa viivekompo-30 nenttia nollan ja maksimiviiveen väliltä viiveresoluution osoittamin portain, vaan käytännössä voidaan toteuttaa vain osa kaikista mahdollisista viiveistä.

Esim. GSM- ja DCS-1800 -järjestelmien simulaattoreissa viiveresoluutio on 0,1 us ja maksimiviive 200 us.

35 Mahdollisten viivekomponenttien lukumäärä on vain 12. Tun- 3 94809 netaan myös saksalainen häipymissimulaattori, jossa viive-resoluutio on 50 ns ja maksimiviive 100 us. Mahdollisten viivekomponenttien lukumäärä on siinäkin vain 16.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada radiokanavan 5 häipymissimulaattori, jolla on ylivoimaiset ominaisuudet tunnettuun tekniikkaan nähden. Keksinnön mukaiselle radiokanavan häipymissimulaattorille on tunnusomaista se, että FIR-suotimeen on järjestetty ainakin kaksi sarjaan kytkettyjen viivelohkojen muodostamia FIR-lohkoja siten, 10 että viivästettävät signaalinäytteet ohjataan kunkin FIR-lohkon sarjaan kytkettyjen viivelohkojen läpi seuraavaan FIR-lohkoon, ja että kunkin FIR-lohkon suodatetut lähdöt on yhdistetty keskenään halutun viiveen ja resoluution aikaansaamiseksi FIR-suotimen ulostulossa.

15 Keksinnön muille edullisille sovellutusmuodoille ja keksinnön mukaiselle menetelmälle häipymisen simuloimiseksi on tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtai-20 semmin esimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää radiokanavan tyypillistä impulssi-vasteen rakennetta, kuvio 2 esittää radiokanavan häipymissimulaattorin * 25 lohkokaaviota yleisessä tapauksessa, kuvio 3 esittää keksinnön mukaista FIR-lohkoa kuvion 2 mukaisessa radiokanavan häipymissimulaattorissa.

Hyvin usein radiokanavan impulssivaste on rakenteeltaan kuvion 1 tapainen, jossa vaste on sijoitettu . 30 koordinaatistoon, jossa x-akseli edustaa viivettä d ja y- akseli suhteellista amplitudia A. Vasteessa on useampia viivekomponenttiryhmiä a, b ja c, joilla kullakin on oma hienorakenteensa. Tällaisen kanavarakenteen simulointi vaatii samaan aikaan erittäin hyvää viiveresoluutiota T, 35 mahdollisuutta pitkiin viiveisiin sekä mahdollisuutta sää- 4 94809 tää ryhmien välisiä viiveitä Tx. Tunnetun tekniikan mukaisilla häipymissimulaattoreilla tällaisen kanavarakenteen simulointi ei ole juurikaan mahdollista.

Matemaattisesti monitie-etenemisilmiö voidaan kuva-5 ta kaavalla (1).

N

s(t) - E (A^t^uit-Ti)) (1) i=l 10 jossa s(t) - häipyvä signaali, simulaattorin lähtösignaali u(t) häipymissimulaattorin tulosignaali Ai(t) = viivekomponentin i kerroin, ajasta riippuva kompleksiluku 15 Ti = viivekomponentin i viive N = viivekomponenttien lukumäärä mallissa.

Kaavasta (1) nähdään, että käytetty malli on luonteeltaan ns. FIR-suodin, jonka tappikertoimet ovat ajallisesti muuttuvia. FIR-suodin (Finite Impulse Response fil-20 ter) on suodin, jossa impulssivaste muodostuu viivästämäl lä signaalia K kappaleessa peräkkäisiä viive-elementtejä, kertomalla kunkin viive-elementin lähtösignaali kertoimella ja laskemalla näin saadut tulot yhteen. FIR-suotimessa K on äärellinen kokonaisluku. Impulssivaste määräytyy vii-25 veiden ja em. kertoimien suuruuden perusteella. Signaali sekä kertoimet ovat yleisessä tapauksessa kompleksilukuja.

Perinteisen laajakaistaisen häipymissimulaattorin rakenne lohkokaaviotasolla on esitetty kuvassa 2. Ideaalinen moduloitu RF-kantoaalto u(t) sekoitetaan RF-alasse-30 koittajassa 1 välitaajuudelle IF. Kvadratuurialassekoitta- jassa 2 välitaajuussignaali muunnetaan kompleksiseksi kan-‘ tataajuussignaaliksi I ja Q, joka muunnetaan reaali- ja imaginääriosien näytejonoiksi A/D-muunninlohkossa 3. Näy-tejono viedään dataväylää myöten FIR-lohkoon 4. FIR-loh-35 kossa näytteitä viivästetään viiveillä Ί1,,Ί„ N:ssä viive-lohkossa 5a, 5b, 5c jne. Viivästetyt näytteet kerrotaan 5 94809 kompleksisilla kertoimilla A±(t) kertojalohkoissa 6a, 6b, 6c jne. Näytteet summataan summauslohkossa 7. Ne ovat edelleen kompleksilukuja. Näytteiden reaali- ja imaginää-riosat viedään FIR-lohkon 4 ulostulosignaalina omille D/A-5 muuntimilleen D/A-muunninlohkoon 8. Analogiset I- ja Q-signaalit sekoitetaan välitaajuudelle kvadratuuriylösse-koittajassa 9. Välitaajuussignaali (IF) sekoitetaan RF-keskitaajuudelle RF-ylössekoittajalohkossa 10. Lohkon läh-tösignaali on häipyvä signaali RF-keskitaajuudella (sig-10 naali s(t) kaavassa (1)). Kontrolleri 11 ohjaa laitteiston staattisia toimintaparametreja ja syöttää kertoimia kertojille 6. Kertoimet on tallennettu esim. muistiin 12.

Keksinnön mukaisen parannetun häipymissimulaattorin FIR-lohkon rakenne on esitetty kuvassa 3. Esitettyä FIR-15 lohkoa lukuun ottamatta keksinnön mukaisen häipymissimulaattorin rakenne vastaa kuvion 2 lohkokaaviota, joten yllä selostettu laitteen yleistoiminta pätee edelleen.

Kuviossa 3 esitetyssä FIR-Iohkossa 22 on lohkot 13a-13N, 14a-14N ja 15, jotka vastaavat toiminnallisesti kuvion 2 20 FIR-lohkoa 4. Kompleksinen näytejono lohkoon 13a vastaa näytejonoa kuvion 2 FIR-lohkoon 4. Jos FIR-lohkon 13-15 viiveresoluutio on T (vrt. kuvio 2), sen pisin viive on N*T, missä N on viive-elementtien lukumäärä.

Siirryttyään ensimmäisen FIR-lohkon 22 läpi • 25 näytteet viedään viive-elementtiin 16. Sen viive Tx (vrt.

kuvio 1) on aseteltavissa esim. laitteiston kontrolleriyk-siköltä annettavan käskyn avulla. Viive-elementin 16 jälkeen seuraa uusi FIR-lohko 23, joka sisältää lohkot 17a-17M, 18a-18M ja 19, jotka vastaavat toiminnallisesti loh-. 30 kon 22 viive- kertoja- (kertoimet tässä B^t)) ja summaus- ’ lohkoja. FIR-lohkon 23 viiveresoluutio on vastaavasti T ja sen pisin viive M*T. M on yleisessä tapauksessa riippumaton N:stä. FIR:n viivelohkoketjun päässä on laajennuslähtö (extension output) 21. Sieltä näytteet voidaan viedä seu-35 raavalle FIR-lohkolle (ei piirretty). Näitä FIR-lohkoja , 94809 voi olla mielivaltainen määrä peräkkäin.

FIR-lohkoilta saatavat suodatetut näytejonot viedään summaimeen 20. Sen lähdön kompleksinen näytejono vastaa kuvan 2 näytejonoa D/A-muunninlohkoon 8.

5 Kuviossa 3 esitetty keksinnön mukainen häipymissi- mulaattori soveltuu kuvion 1 impulssivasteen simulointiin, sillä yhdellä FIR-ryhmällä voidaan tyypillisesti simuloida yhtä viivekomponenttiryhmää (a, b ja c kuviossa 1), ja ryhmien välisillä viive-elementeillä voidaan säätää ryhmi-10 en välisiä viiveitä (Tx kuviossa 1).

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yllä esitettyyn esimerkkiin, vaan että ne voivat vaihdella jäljempänä olevien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (6)

7 94809

1. Radiokanavan häipymissimulaattori, jossa impuls-sivaste muodostuu viivästämällä ja kertoimilla (Ax(t),

2. Patenttivaatimusten 1 mukainen häipymissimulaat- 15 tori, tunnettu siitä, että FIR-lohkojen (22,23) välissä on viiveeltään (T„) kiinteä viivepiiri (16).

3. Patenttivaatimusten 1 tai 2 mukainen häipymissi-mulaattori, tu nnet t u siitä, että FIR-lohkojen (22,23) välissä on viiveeltään (Ts) säädettävä viivepiiri 20 (16).

4. Menetelmä radiokanavan häipymisen simuloimiseksi, jossa impulssivaste muodostetaan viivästämällä ja kertoimilla (Aj( t) ,Bt( t)) kertomalla RF-signaalista muodostettuja näytteitä ajallisesti muuttuvassa ns. FIR-suotimessa, 25 tunnettu siitä, että viivästettävät signaalinäyt- teet ohjataan FIR-suotimessa kunkin ainakin kahden sarjaan kytkettyjen vii vei ohkojen (13a..l3N, 17a.. 17N) muodostaman FIR-lohkon (22,23) läpi seuraavaan FIR-lohkoon, ja että kunkin FIR-lohkon (22,23) suodatetut lähdöt summataan kes-. 30 kenään halutun kokona!sviiveen ja resoluution aikaansaami seksi .

5. Patenttivaatimusten 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että signaalinäytteet viivästetään FIR-lohkojen (22,23) välissä kiinteällä viiveellä (T,). 94809 8

5 Biit)) kertomalla RF-signaalista muodostettuja näytteitä ajallisesti muuttuvassa ns. FIR-suotimessa, tunnet-t u siitä, että FIR-suotimessa on ainakin kaksi sarjaan kytkettyjen viivelohkojen (13a..l3N, 17a.. 17N) muodostamaa FIR-lohkoa (22,23) siten, että viivästettävät signaali-10 näytteet ohjataan kunkin FIR-lohkon läpi seuraavaan FIR-lohkoon, ja että kunkin FIR-lohkon (22,23) suodatetut lähdöt on summattu keskenään halutun kokona!sviiveen ja resoluution aikaansaamiseksi.

6. Patenttivaatimusten 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että signaalinäytteet viivästetään FIR-lohkojen (22,23) välissä säädettävällä viivellä (Tx). < iu » an il i i i «t 9 94809