WO1998021860A1

WO1998021860A1 - Verfahren zur decodierung von komplementären codes

Info

Publication number: WO1998021860A1
Application number: PCT/DE1997/002437
Authority: WO
Inventors: Rodolfo Mann Pelz
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 1996-11-11
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 1998-05-22
Also published as: DE19646299A1; EP0938796A1; JP2001504289A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Decodierung von Signalen eines Multiträgerverfahrens vorgeschlagen, die mit einem komplementären Multiphasencode moduliert werden, wobei die Phasen des empfangenen Signals ausgewertet und aus diesen Phasen die Phasen des uncodierten Signals berechnet werden, um so das ursprüngliche Signal zurückzugewinnen.

Description

Verfahren zur Decodierung von komplementären Codes

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Decodierung von Signalen eines Multiträger-Übertrag ngsverfahrens, die mit komplementären Codes codiert werden, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Sendesignale bei Multiträger-Übertragungsverfahren, wie sie z.B. aus dem für den digitalen Rundfunk verwendeten Orthogonal Fequency Division Multiplexing (OFDM) bekannt sind, wei- sen eine nicht konstante Einhüllende auf. Infolge der z.B. gaußförmigen Verteilung der Einhüllenden des Sendesignals müssen Sende- und Empfangsstufen für hohe Pegel ausgelegt werden. Die Schwankungen der Einhüllenden werden durch den sogenannten Crestfaktor, dem Verhältnis aus Spitzenleistung und mittlerer Leistung, beschrieben. Es kommen bei der OFDM-

Übertragung lineare Sendeverstärker mit niedrigem Wirkungsgrad zum Einsatz, um nichtlineare Verzerrungen der Signale zu vermeiden.

Aus der Veröffentlichung "Minimisation of the Peak-to-Mean Envelope Power Ration of Multicarrier Transmission Schemeε by Block Coding", T.A. Wilkinson, A.E. Jones, Proc . IEEE Ve- hicular Technology Conference S. 825-829, 1995, ist bekannt, daß der Crestfaktor des Signals mit komplementären Codes deutlich reduziert werden kann.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Decodierung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs enthält eine Vorschrift, nach der die Phasen des codierten Signals ausgewertet und für die Berechnung der Phasen des ursprünglichen Si- gnals herangezogen werden. Durch die Berechnung und Decodierung von Phasen, also von „Polarkoordinaten" erhält man einen einfachen Lösungsweg, der wenige Rechenoperationen erfordert. Das Decodierverfahren arbeitet mit hoher Leistungsfähigkeit, wobei der Implementierungsaufwand entsprechend gering ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß zur Decodierung eine geringere Verstärkung erforderlich ist. Dies ist deshalb der Fall, weil aufgrund des reduzierten Crestfaktors die Sende- verstärker höher ausgesteuert werden können, was den Wir- kungsgrad erhöht. Die Sendeleistung ist daher bei gleichem Aufbau des Senders höher, so daß der Aufwand beim Empfänger zu reduzieren ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.

Eine besonders einfache Decodierung verwendet eine gewichte- te Summation der Phasenkomponente zur Bestimmung der ur- sprünglichen Phasen. Das Verfahren kann durch die Gewichtung der Phasenkomponenten proportional zum Signal- Rauschverhältnis optimiert werden. In machen Fällen ist es besser, die Gewichtung der Phasenkomponenten proportional zum Verhältnis der Gesamtleistung des Signals zur Leistung der Phasenkomponente zu wählen. Eine besonders einfache Sum- mation erhält man, wenn man keine Gewichtung durchführt sondern alle Gewichtungsfaktoren zu eins setzt.

Eine Verbesserung der Decodierung kann dadurch erreicht wer- den, daß für jede Teildecodierung die Phasenkomponente ausgewählt wird, welche das größte Gewicht aufweist. Eine Vereinfachung bezüglich der Anzahl der Rechenoperationen erhält man, indem die vernächlässigbaren Codesymbole durch Vergleich deren Beträge mit einem vorgegebenen Schwellwert be- stimmt werden.

Zeichnung

Ein Ausführunσsbeiεpiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 den schematischen Aufbau eines Multiträgersenders und Empfängers.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Betrachtet wird im folgenden Beispiel ein Sendesignal eines Multitragerverfahrens, das nach OFDM-Technik übertragen wird. Das für die Übertragung von digitalen Rundfunksignalen verwendete Verfahren verwendet eine differentielle 4-Phasen- Umtastung (DQPSK Differential Quadratur Phase Shift Keying) . Da nicht die Phase selbst, sondern die Differenz zwei aufeinanderfolgenden Phasen übertragen wird ergibt sich eine Phasendifferenzcodierung mit acht möglichen Trägerphasen. Um den Crestfaktor, das Verhältnis aus Spitzenleistung und mittlerer Leistung zu reduzieren, werden die unabhängigen

Phasen φ_v (i) , v=l, ...K, die in unserem Beispiel K=4 betragen, auf N=8 Phasen θμ (i) , μ=l, 2 , ...N, zum Zeitpunkt i mittels der Vorschrift abgebildet: θ,( ) = φ₁( ⁺φ₂( ⁺φ₃( ⁺φ₄(0 θ₂(/) = φ,( )+φ₃( )+φ₄( θ₃( = φ,(0⁺φ₂ φ₄ ^') θ₄( = ψ_jC +φ^ +π

(1) θ₅( = φ₁( )⁺φ₂( +φ₃( ) θ₆( = φ,( ⁺φ₃( θ₇( ) = φ,( )+φ₂( )-π θ₈( = φ,(

Es wird eine M-stufige PSK Modulation zugrundegelegt, wodurch die informationstragenden Phasen durch φ_v(i) =a_v(i) 2π/M, a_ve"ι 0, 1...M-l^, v=l,...K, gegeben sind, und a_v(i) die durch log₂ (M) binären Informationssymbolen determinierten, zugehörigen Signalpunkte darstellen. Damit wird ein Informationswort der Länge K auf ein Codewort der Länge N abgebildet. Das gesendete Codewort ist dementsprechend durch x(i) = (exp (θ₁ (i) ) , exp (θ (i) ) , . • • , exp(θ_N(i))) gegeben. Das empfangene Codewort wird im folgenden mit y(i) = (Pι (i)exp(φι_ (i) ) , p₂ (i)exp(φ₂(i) ) , ... , p_N (i) exp (φ_N(i) ) ) bezeichnet, wobei der Fall einer realen (gestörten) Übertragung durch einen zusätzlichen Amplitudenfaktor p_v(i)e R und durch φ_v(i)≠θ_v(i) charakterisiert wird.

Im Fall einer idealen Übertragung (verzerrungsfreie Übertragung) wird das gesendete Codewort fehlerfrei empfangen, d.h. y(i)=x(i). Aufgabe der Decodierung ist die Zurückgewinnung der informationstragenden Phasen <p_v(i). Hierzu werden nicht die empfangenen, komplexen Codesymbole x_v(i) e C verwendet, sondern vielmehr die zugehörigen Phasen

(Θ-L (i) , θ₂ (i) , • • .θ_N(i) ) , wobei der konstante Term π in (1) allein zur Reduktion des Crestfaktors dient, und dementspre-

ERSATZBLÄΪT(REGEL 26) chend vor der Decodierung durch entsprechende Subtraktion wegfällt .

Die Decodierung basiert auf die Lösung des Gleichungssystems (1) nach bekannten Verfahren z.B. dem Austauschverfahren nach Stiefel. Hierbei genügt es, K der N Gleichungen heranzuziehen, da die restlichen K Gleichungen wie folgt von den anderen linear abhängig sind, d.h. sie liefern im Fall einer idealen Übertragung keine zusätzliche Information:

θ₄() = -θ,( +θ₂(0+θ₃( e₆ = -Θ,( +Θ₂( -Θ₅(

(2) θ₇( = -θ,(0+θ₃(0⁺θ₅(0 θ₈(ι) = -2θ,(0⁺θ₂(/)+θ₃(/)-θ₅(ι)

Die resultierende Decodiervorschrift lautet :

φ,( = -2θ,( +θ₂()+θ₃( +θ₅( φ₂( = θ,(/)-θ₂(/)

(3a)

φ₄(0 = θ,( )-θ₅(/)

oder

φ₂(0 = Θ, ( ) -Θ₂(O

9,(0 = θ,(0-φ₂(0-φ₃(0-φ₄(0 •

ERSATZBUTT (REGEL 26) Für die Phasendifferenzen in (3) ergeben sich aus (2) und (1) infolge der linearen Abhängigkeit weiterhin die Identitäten:

θ,⁽0-θ₂ ⁽0 = θ₃ ⁽⁾-θ₄(0 = θ₅(0-θ₆(0 = θ₇(0-θ₈(0 θ,⁽0-θ₃(0 = θ₂ ⁽0-θ₄ ⁽0 = θ₅(0-θ₇(0 = θ₆(0-θ₈(0) θ,⁽0-θ₅ ⁽0 = θ₂ ⁽0-θ₆ ⁽0 = θ₃(0-θ₇(0 = θ₄(0-θ₈(0 (4) θ,⁽0-φ₂ ⁽0-φ₃ ⁽0-φ⁽4⁾ = θ₂ ^(/)-φ₃(0-φ(0 = θ₃(0-φ,(0-φ₄(0 = θ₄(ι φ₄(0

= θ₅ ⁽0-φ₂ ⁽0-φ₃ ⁽0 = θ₆ ⁽0-φ₃(0 = θ₇(0-φ₂(0 = θ₈(0.

Im Fall einer realen (gestörten) Übertragung weichen die empfangenen Phasen von den gesendeten Phasen ab, d.h. φ_v(i)≠θ_v(i). Dieses impliziert, daß die Identitäten (2) bzw. (4) nicht mehr gegeben sind, d.h. die im Idealfall linear abhängigen Phasen beinhalten zusätzliche Information

(Diversityeffekt) , welche zur Optimierung der Decodierung des komplementären Codes herangezogen werden können. Betrachtet man die Decodiervorschrift (3) im Zusammenhang mit (4) , so ergibt sich durch entsprechende Kombination einzel- ner Teilkomponenten (Phasendifferenzen) eine Vielzahl möglicher Vorschriften zur Decodierung der empfangenen Phasen.

In Analogie zu bekannten Antennen-Diversityverfahren können die folgenden Strategien zur Decodierung angewandt werden:

- Maximum-ratio combining ist die gewichtete Summation der Teilkomponenten, wobei die Gewichtung proportional zum Signal-Rausch-Verhältnis (S/N-Verhältnis) der einzelnen Teilkomponenten erfolgt. Anstatt des S/N-Verhältnis kann auch

ERSATZBUTT(REGEL 26) die auf die Gesamtleistung aller Teilkomponenten bezogene Leistung der einzelnen Komponenten verwendet werden.

Φ₃(0 = α₁₃(')(Φ₁(0-φ₃( )⁺o₂₄(0(Φ₂(0-φ₄(0)⁺ ₅₇(0(Φ₅(0-φ₇(0) ⁺α₆₈(0(Φ₆( -φ₈(0) Φ₄(0 = α₁₅( (Φ₁(0-φ₅(0) ⁺α₂₆(0(Φ₂ω-φ₆(0) ⁺α₃₇(0(Φ₃(0-φ₇(0)⁺α₄₈(0(Φ₄ -)-φ₈ω)

Φ,⁽0 = ,⁽0⁽Φ₁ ⁽0-φ₂ ⁽0-φ₃ ⁽0-φ₄ ^'))+α₂ ⁽0⁽Φ₂ ⁽0-φ₃ ⁽ -φ₄ ⁽0⁾⁺α₃ ^{( (}Φ3⁽ -φ₂ ⁽ -φ₄ ^{()) +} +α₄(0(φ₄(0-φ₄ ^')) ⁺α₅(Φ₅(0-φ₂(0-φ₃(0) ⁺ ₆(0(Φ₆(0-φ₃( ) ⁺ ₇(0(Φ₇ ⁽0"Φ₂ ⁽0^{) +} ⁺α₈ ⁽0Φ₈(0 • ⁽⁵⁾ mit

2 α (i) = PvO) ^Λ'V ' ' (6b)

- Equal-gain combining ist die gewichtete Summation der Teilkomponenten, wobei der Gewichtungsfaktor 1 für alle Teilkomponenten beträgt.

Φ₂(o = .[(Φ,(0-Φ₂('^'))⁺(Φ₃( - ₄( )⁺(Φ₅ω-Φ₆(0)⁺(Φ₇( -Φ₈ ⁽ )]

Φ₃(o ⁺CΦβ j-Φgω⁾]

Φ₄(O = ^.[(Φ₁ ⁽ -Φ₅ ^{( )+}(Φ₂( -Φ₆ ^{( )+}(Φ₃ ⁽ -Φ7 ^'))⁺⁽Φ4⁽ -Φ₈ ^{( )] (7)}

φ, (0 = i[(φ , (0 -Φ₂( -Φ₃( -Φ₄( ) ⁺ (Φ ₂ ⁽0 -Φ₃ ⁽0 -Φ₄( ^{) + (}Φ 3« -Φ₂( -<M ^{) +} o

⁺(Φ₄(0-Φ₄(0^{) +(}Φ₅(0-φ₂ω-φ₃( ) ⁺(Φ₆(0-Φ₃ ⁽ ) ⁺⁽Φ₇ ⁽0-Φ₂W^{) +}Φ₈ ⁽'⁾] - - Selective combining: Es wird die Teilkomponente mit den größten S/N-Verhältnis ausgewählt, wobei in der Praxis der Betrag anstatt des S/N-Verhältnis herangezogen wird. Die Auswahl der empfangenen, redundanten Codesymbole y_v(i) kann nicht beliebig erfolgen, sondern es muß gewährleistet werden, daß mindestens eine Teilkomponente pro individuelle Vorschrift zur Zurückgewinnung der Informationsphasen φ_v(i) vorhanden sein muß. Hierzu ist folgende Strategie denkbar:

Für jede Teildecodiervorschrift wird die Teilkomponente ausgewählt, welche den größten Gewicht α_v„(i) bzw. α_v(i) aufweist, wobei vereinfachend das Produkt p_v ² (i) p„² (i) =- ly_v(i)yμ* (i)l ²/ ≠μ/ bzw. p_v ² (i) =| y_v (i) I ² betrachtet werden kann. Hierbei bezeichnet y* den komplex konjugierten Wert von y.

- Scanning diversity: Es wird die Teilkomponenten gewählt, deren Betrag größer als eine bestimmte Schwelle ist. Diese Teilkomponente wird solange verwendet, bis deren Betrag die Schwelle unterschreitet. In diesem Fall wird eine neue Teilkomponente bestimmt, welche die Auswahlbedingung erfüllt. Eine Vereinfachung bezüglich der Anzahl der Rechenoperationen erhält man, indem die vernachlässigbaren Codesymbole nicht durch Suche ausgewählt werden, sondern durch Vergleich deren Beträge mit einer bestimmten, vorgegebenen Schwelle. Die identifizierte Teilmenge wird solange bei der Decodierung beibehalten, bis die Bedingung nicht mehr erfüllt ist.

Da (6) und (7) ein Mittelungεprozeß bezüglich der Phasenkom- ponenten darstellt, müssen zusätzliche Maßnahmmen getroffen werden, um das korrekte Ergebnis infolge der Phasenmehrdeutigkeit zu erhalten. Die Implementierung der obigen Decodiervorschriften kann z.B. mittels eines geeigneten digitalen Signalprozessors (DSP) erfolgen.

Figur 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines OFDM- Senders und -Empfängers. Das Informationssymbol a gelangt in den Parallel/Seriell-Wandler 1 und von dort in den M- stufigen Phase Shift Keying PSK-Modulator 2. Dadurch wird aus dem Eingangssymbol a ein Signal gewonnen, das in Phasen- lagen φ moduliert ist. Im Blockencoder 3 wird der komplementäre Multi Phasencode auf das Signal aufgebracht. Der Elock- encoder bildet K unabhängige Phasen auf N Phasen ab, wobei die Coderate R=K+N beträgt. Die Realisierung erfolgt z.B. durch Matrixmultiplikation wie im Fall nicht systematischer Blockcodes. Es entsteht eine komplexe Signalfolge x der Länge N in kathesischen Koordinaten. Ein schneller inverser Fouriertransformator IFFT 4 bereitet das Sendesignal 5 auf. In der Empfangseinheit wird das Sendesignal 5 empfangen und über den schnellen Fouriertransformator 6 FFT gewandelt. In der Einheit 7 erfolgt die Umwandlung der kartesischen Koordinaten y in Polarkoordinaten, d.h. die Rückgewinnung der Phasen. Im Blockdecoder 8 wird das Signal entsprechend der Decodiervorschrift bearbeitet. Im Entεcheider 9 durch Quantisierung aus den decodierten Phasen das Informationssymbol a (i) zurückgewonnen und das Signal anschließend wieder parallel/seriell 10 gewandelt .Damit liegt das rekonstruierte Signal ä vor.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Decodierung von Signalen eines Multiträgerüber- tragungsverfahrens (OFDM) , wobei die zu sendenden Informationen ( a_L) mit einem komplementären Multiphasen-Code codiert und abgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Phasen (φi) des empfangenen, codierten Signals (5) ausgewertet werden

- und aus diesen Phasen (φ die Phasen (φ ) der erhaltenen, un- codierten Informationen (a_L) berechnet werden.

2. Verfahren zur Decodierung von Signalen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen (φi) durch eine gewichtete Summation der Phasenkomponenten (φi) in der linaren Beziehung ermittelt werden.

3. Verfahren zur Decodierung von Signalen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtung der Phasenkompo- nenten (φi) proportional zum Signal/Rausch-Verhältnis der Pha- senkomponenten erfolgt.

4. Verf hren zur Decodierung von Signalen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtung der Phasenkompo- nenten (φ proportional zum Verhältnis der Gesamtleitung des Signals zur Leistung der Phasenkomponente erfolgt.

5. Verfahren zur Decodierung von Signalen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtungsfaktor für alle

Phaεenkomponenten (φ_L) eins beträgt.

6. Verfahren zur Decodierung von Signalen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz mit dem grδß- ten Signal/Rausch-Verhältnis zur Berechnung der Phasen (φ_x) herangezogen wird.

7. Verfahren zur Decodierung von Signalen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz, deren Betrag einen bestimmten Schwellwert überschreitet, zur Berechnung der Phasen (φ herangezogen wird.