WO2001091393A2 - Verfahren zur synchronisation von ofdm-symbolen bei rundfunkübertragungen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for the synchronization of OFDM symbols in radio transmissions according to the type of the independent claim.
  • DAB Digital Audio Broadcasting
  • DVB-T Digital Video Broadcasting Terrestrial
  • frequency and frame synchronization are carried out in order to find the beginning of the frame at the correct frequency in the receiver.
  • DAB an entire OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) symbol is used for synchronization
  • DVB-T uses continuous pilot carriers.
  • the method according to the invention for the synchronization of OFDM symbols in radio transmissions with the features of the independent claim has the advantage that the OFDM symbol, which the pilot pairs have for frame and frequency synchronization, also has useful data, so that not a whole OFDM Icon is used only for synchronization.
  • This is particularly the case with digital radio broadcasts of advantage, which are provided in the field of short wave and medium wave and long wave, which are known under the name DRM (Digital Radio Mondial).
  • DRM Digital Radio Mondial
  • pilot pairs can be distributed over the available channel bandwidth of an OFDM symbol, so that the influence of frequency-selective fading on these pilot pairs is minimized.
  • DRM only uses a restricted bandwidth of 3 kHz of a total of 10 kHz.
  • sequence is modulated onto the pilots on the transmission side by means of differential modulation using quadrature phase shift keying or binary phase shift keying. These types of modulation make the sequence particularly robust against noise and channel interference.
  • a rough time synchronization for the OFDM symbols is carried out by evaluating the protection interval.
  • the frequency offset which is not an integer, can be determined from the phase of the correlated of the protection interval, in order then to correct the received OFDM symbols by this non-integer frequency offset.
  • This OFDM symbol synchronization is advantageously achieved by means of correlation, which is a very simple and known method in signal processing.
  • the received sequence which has been modulated onto the pilot pairs, is compared with the known and stored transmission sequence by means of cross-correlation. This gives a measure by means of which the integer frequency offset can be determined and also the frame synchronization, since this identifies the first OFDM symbol of a frame. Only the first OFDM symbol of a frame has the modulated sequence with the pilot pairs.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a block diagram of the overall transmission system using the method according to the invention
  • FIG. 3 shows an arrangement of the pilot pairs in the first OFDM symbol.
  • a basic requirement of every transmission system is fast synchronization with an incoming data stream, so that fast further processing such as audio reproduction of audio signals contained in received radio signals is possible. That is, both frequency synchronization and time synchronization, and in particular a frame synchronization if the data is transmitted in frames, must be provided.
  • a frequency offset ie a deviation of the frequency in the receiver, which is generated by a fixed frequency oscillator, must be compensated for from the predetermined frequency. This deviation comes from the temperature effects of the oscillators and also from the aging of the oscillators.
  • the goal is to find the beginning of the frame.
  • Orthogonal frequency division multiplex Orthogonal Frequency Division Multiplex
  • OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex
  • the use of OFDM leads in particular to the fact that the frequency-selective fading known in radio transmissions, i.e. frequency-selective attenuation, does not influence all the information that is to be transmitted, but only a few parts of it, so that this is also known as channel coding by means of error correction methods Disruptions can be compensated.
  • Channel coding here means that redundancy is added to the data to be transmitted, from which, if necessary, corrupted data received in the receiver can be reconstructed.
  • DAB and DVB are two broadcast transmission methods already in use that use OFDM.
  • OFDM will also use DRM (Digital Radio Mondial) for transmissions in the short, medium and long wave range.
  • DRM Digital Radio Mondial
  • a method for synchronizing OFDM symbols in radio transmissions is used, pilots being added in a first OFDM symbol of a frame to be transmitted, so that pilot pairs are obtained with the pilots already present.
  • a sequence is modulated onto the pilot pairs which is extracted from the received signals on the receiving side.
  • a comparison, in particular by means of cross-correlation, of the received sequence and a sequence stored in the receiver determines whether the first OFDM symbol is present or not.
  • the frame synchronization is thus achieved.
  • the integer frequency offset is also determined from the measure of the cross-correlation.
  • a first rough time synchronization which is achieved by evaluating the protection interval of an OFDM symbol
  • the non-integer frequency offset is determined in order to then correct it on the received OFDM symbols.
  • QPSK Quadrature Phase Shift Keying
  • BPSK Binary Phase Shift Keying
  • FIG. 1 the inventive method for synchronizing OFDM symbols in radio transmissions is shown as a block diagram.
  • a data stream 2 arrives in an OFDM modulator 1 in order to be distributed, as shown above, to different carriers lying close to one another on different frequencies. Pilots are added to the OFDM data in block 3, pilot pairs being generated in the first OFDM symbol of a frame.
  • the OFDM symbols are sent with the pilots, in order to then be transmitted in block 5 via the radio channel.
  • the OFDM symbols are received in block 6 and then in block 7 a rough time synchronization by correlation of the Protection interval with the end of the symbol. This evaluation is achieved by recognizing the protection interval of an OFDM symbol.
  • the protection interval of an OFDM symbol has the task of compensating for multipath propagation, since signals can get from the transmitter to the receiver in different ways with a different length during radio transmission. This is because the radio signals take different paths from the transmitter to the receiver due to reflections on buildings, mountains and plants.
  • the protection interval should be selected so long that there is no overlay of successive symbols due to the multipath propagation. The protection interval therefore offers a kind of buffer to avoid overlaying useful information.
  • a frequency offset can exist which can be divided into two parts.
  • a part that is an integer multiple of a support spacing and on the other hand, a part that forms the non-integer remainder.
  • the integer part only leads to the displacement of all carriers at the output of the OFDM demodulator.
  • the orthogonality of an OFDM transmission system is therefore not disturbed.
  • the non-integer part interferes with the orthogonality of an OFDM system.
  • This non-integer part must therefore be estimated in order to correct the OFDM symbols for this non-integer part. This can be done by evaluating the phase of the auto-correlated of the protection interval.
  • the following equation describes the mathematical relationship between the phase ⁇ of the autocorrelated and the non-integer part df of the frequency offset.
  • DFT means discrete Fourier transform, whereby the FFT is a DFT that operates according to an efficient algorithm.
  • the non-integer part df is compensated for all samples of the received signal. This is then done in block 8.
  • the OFDM demodulation is then carried out in block 9.
  • the demodulated OFDM symbols are now available at the output of the OFDM demodulation.
  • the sequence is extracted from the pilot in block 10.
  • the receiver since it is now unknown which OFDM symbol is the first OFDM symbol, the receiver tries to extract the sequence from different OFDM symbols in order to then compare the extracted sequence with a stored sequence that corresponds exactly to the transmitted sequence ,
  • different trial positions for pilot extraction are also used in an OFDM symbol, since the first, rough time synchronization with the guard interval does not necessarily lead to synchronization with the OFDM symbol start.
  • other synchronization algorithms are also possible.
  • the receiver carries out a differential demodulation in order to extract the sequence.
  • a correlation goodness measure ⁇ is determined, which becomes maximum if the demodulated sequence is identical to the stored sequence.
  • the OFDM symbol for which the maximum of the correlation good measure ⁇ was calculated is the first OFDM symbol of a frame. The frame synchronization is then achieved. The sample position for which this maximum was calculated indicates the integer frequency offset.
  • s [5 (0), ..., s ( ⁇ ), ...., s (N p - l)]
  • the demodulated sequence r for each received OFDM symbol and for each trial position g is calculated from the received subcarrier symbols X.
  • g: trial position i: index of the pilot pairs (i 0 .. N p - 1)
  • N p number of pilot pairs f (i), f (i) + l -.
  • Each individual element of the sequence r is determined by differential demodulation of a pair of pilots.
  • the cyclic cross-correlation is calculated with the sequence s known to the receiver. The following applies:
  • MF merit factor
  • This correlation goodness measure is to be determined for each correlation sequence determined according to equation (1). It can be seen from equation (2) that the metric value becomes maximum when the sequence r is most similar to the sequence s. In this case, the energy contained in the main value of the cyclic cross-correlation is maximum and the energy contained in the secondary values is minimal.
  • the correlation sequence r at the receiver must be determined by means of differential demodulations from the individual pairs of subcarriers.
  • the number of phase states of the correlation sequence s should be as small as possible. Therefore, the binary phase shift keying or the quadrature phase shift keying, which on the one hand have two and on the other hand four phase states, are used.
  • the frame synchronization 11 and the integer frequency offset 12 are then available as output values of the block 10.
  • FIG. 2 shows a block diagram of the overall transfer system using the method according to the invention.
  • the data sources 13, audio coding 15, other data and control data 19 are available. These data sources 13, 15 and 19 each lead to a channel coding 14, 16 and 20. After the channel coding 14 and 16, respectively, the data is re-sorted in time in blocks 17 and 18, which is known as time interleaving.
  • the re-sorting of the data by time has the advantage that neighboring data, for example voice data, are not completely disturbed by a disturbing burst, since they are further apart in time after the time interleaving. The effect of this burst can then be corrected more easily at the receiving end by means of error correction measures.
  • the output data of the time interleaver 17, 18 and the channel coding 20 are combined in a multiplex in block 21.
  • the data are distributed to different carriers, so there is OFDM modulation here.
  • the OFDM signals in the Time domain is transformed, the pilots being added to the OFDM symbols in block 24.
  • the OFDM signals are converted into analog signals for transmission by means of a digital / analog converter 25.
  • the subsequent high-frequency transmitter 26 with antenna sends the analog signals over the radio channel 27.
  • a radio frequency receiver 28 receives the OFDM signals transmitted via the radio channel 27.
  • the high-frequency receiver 28 transfers the received OFDM signals to an analog / digital converter 29, which converts the received OFDM signals into digital signals.
  • An OFDM demodulation is carried out in block 30, a rough time synchronization as shown above being carried out beforehand in block 31.
  • the demodulated signals are then sent to a block 32 for decoding the control information and / or to a block 33 for so-called deinterleaving, i.e. for reversing the re-sorting of the data in time, so that they are now again in the correct chronological order, and for Program selection sent.
  • block 34 channel decoding is carried out, while in block 35, decoding of the audio data or other data is carried out.
  • FIG. 3 shows an arrangement of the pilots in the first OFDM symbol of a frame.
  • the numbers in the horizontal direction mean the different carriers of an OFDM symbol.
  • the symbols 38 represent pilots who have already been provided for channel estimation.
  • the symbol 39 represents the pilots who are added to the first symbol according to the invention in order to generate pairs of pilots or even triple pilots. These additional pilots are also used here to improve channel estimation, which is necessary for coherent demodulation.
  • the arrangement of the pilot pairs is initially arbitrary, with a large number of pilot pairs to which the sequence is modulated leads to better frame synchronizations than a smaller number of pilot pairs. There is useful information between the pilots, which is also transmitted in the first symbol, which is used for frame synchronization.
  • Synchronization procedure can be further increased. This is because averaging can compensate for individual errors.
  • the additional pilots to form the pilot pairs are arranged according to the following table 1 with the corresponding carrier indices, specific frequencies and phases of the additional carriers:
  • Table 1 Carrier indices of the additional pilots and the phases of the additional carriers in DRM GROUND mode
  • the following table 2 shows the carrier indices and the phases of the additional carriers for the pilots to be added for the DRM SKY mode.
  • the DRM SKY mode is intended for the shortwave range.
  • Table 2 Carrier indices of the additional pilots and the phases of the new carriers in DRM SKY mode

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Synchronisation von OFDM-Symbolen bei Rundfunkübertragungen vorgeschlagen, das dazu dient, eine robuste und effiziente Rahmen- und Frequenzsynchronisation zu ermöglichen. Dabei werden sendeseitig den OFDM-Symbolen zusätzliche Piloten hinzugefügt, so dass sich Pilotenpaare bilden. Diesen Pilotenpaaren wird eine Sequenz aufmoduliert, die dann empfangsseitig extrahiert wird, um mittels eines Vergleiches der extrahierten Sequenz und einer abgespeicherten Sequenz ein Maß für jedes OFDM-Symbol zu erzeugen. Das OFDM-Symbol mit dem größten Maß wird als das erste OFDM-Symbol eines Rahmens erkannt. Die Sequenz wird mittels einer differenziellen Modulation, QPSK oder BPSK, aufmoduliert. Eine erste grobe Zeitsynchronisation wird empfangsseitig anhand der Schutzintervalle durch Korrelation bestimmt. Dadurch kann auch eine nicht ganzzahlige Frequenzablage bestimmt werden, um die empfangenen OFDM-Symbole um diese nicht ganzzahlige Frequenzablage zu korrigieren. Die extrahierte und die abgespeicherte Sequenz werden mittels Kreuzkorrelation verglichen, wobei die Kreuzkorrelation das Maß liefert. Daraus kann auch die ganzzahlige Frequenzablage bestimmt werden. Durch Mittelung der Rahmensynchronisationsergebnisse über Gruppen von OFDM-Symbolen wird die Rahmensynchronisation verbessert.

Description

Verfahren zur Synchronisation von OFDM-Symbolen bei Rundfunkübertragungen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Synchronisation von OFDM-Symbolen bei Rundfunkübertragungen nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
Es ist bereits bekannt, dass bei digitalen Rundfunkubertragungsverfahren wie DAB (Digital Audio Broadcasting) und DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrisch) eine Frequenz- und Rahmensynchronisation durchgeführt wird, um im Empfanger den Rahmenanfang bei der richtigen Frequenz zu finden. Bei DAB wird dabei ein ganzes OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex = Orthogonaler Frequenzmultiplex) -Symbol für die Synchronisation verwendet, wahrend bei DVB-T kontinuierliche Pilottrager eingesetzt werden.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemaße Verfahren zur Synchronisation von OFDM- Symbolen bei Rundfunkübertragungen mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass das OFDM-Symbol, das die Pilotenpaare für die Rahmen- und Frequenzsynchronisation aufweist, auch Nutzdaten aufweist, so dass nicht ein ganzes OFDM-Symbol nur für die Synchronisation verbraucht wird. Dies ist insbesondere bei digitalen Rundfunkübertragungen von Vorteil, die im Bereich der Kurzwelle und Mittelwelle sowie Langwelle vorgesehen sind, die unter dem Namen DRM (Digital Radio Mondial) bekannt sind. Hier muß besonders sparsam mit Bandbreite umgegangen werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Pilotenpaare über die verfugbare Kanalbandbreite eines OFDM-Symbols verteilt werden können, so dass der Einfluß des frequenzselektiven Schwunds auf diese Pilotenpaare minimiert ist. Bei DRM wird aus mehreren Gründen nur eine eingeschränkte Bandbreite von 3 kHz von insgesamt 10 kHz genutzt.
Durch die in den abhangigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Verfahrens zur Synchronisation von OFDM-Symbolen bei Rundfunkübertragungen möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Sequenz sendeseitig den Piloten mittels einer differenziellen Modulation per Quadraturphasenumtastung oder binarer Phasenumtastung aufmoduliert wird. Diese Modulationsarten machen die Sequenz besonders robust gegenüber Rauschen und Kanalstorungen.
Zunächst wird eine grobe Zeitsynchronisation für die OFDM- Symbole mittels der Auswertung des Schutzintervalls durchgeführt. Aus der Phase der Korrelierten des Schutzintervalls kann die Frequenzablage, die nicht ganzzahlig ist, bestimmt werden, um dann die empfangenen OFDM-Symbole um diese nicht ganzzahlige Frequenzablage zu korrigieren. Diese OFDM-Symbolsynchronisation wird dabei vorteilhafterweise mittels Korrelation erreicht, die ein sehr einfaches und bekanntes Verfahren in der Signalverarbeitung ist. Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass die empfangene Sequenz, die den Pilotenpaaren aufmoduliert wurde, mit der bekannten und abgespeicherten Sendesequenz mittels Kreuzkorrelation verglichen wird. Dadurch wird ein Maß gewonnen, mittels dessen die ganzzahlige Frequenzablage bestimmt werden kann und auch die Rahmensynchronisation, da dadurch das erste OFDM-Symbol eines Rahmens identifiziert wird. Nur das erste OFDM-Symbol eines Rahmens weist die aufmodulierte Sequenz mit den Pilotenpaaren auf.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass durch eine Mittelung der Rahmensynchronisationsergebnisse über Gruppen von OFDM- Symbolen eine Verbesserung der Rahmensynchronisation erreicht wird, da sich dadurch Fehler in der Rahmensynchronisationsbestimmung vorteilhafterweise ausgleichen können.
Schließlich ist es auch von Vorteil, dass ein Rundfunksender und ein Rundfunkempfänger vorgesehen sind, die die Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens gestatten.
Zeichnung
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert. Es zeigt Figur 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemaßen Verfahrens, Figur 2 ein Blockschaltbild des Gesamtubertragungssystems unter Verwendung des erfindungsgemaßen Verfahrens und Figur 3 eine Anordnung der Pilotenpaare im ersten OFDM-Symbol.
Beschreibung Eine Grundanforderung an jedes Ubertragungssystem ist eine schnelle Synchronisation auf einen eingehenden Datenstrom, so dass eine schnelle Weiterverarbeitung wie eine Audiowiedergabe von in empfangenen Rundfunksignalen enthaltenen Audiosignalen möglich ist. D.h., sowohl eine Frequenzsynchronisation als auch eine Zeitsynchronisation und dabei insbesondere eine Rahmensynchronisation, falls die Daten in Rahmen übertragen werden, sind vorzusehen. Dabei muß insbesondere eine Frequenzablage, d.h. eine Abweichung der Frequenz im Empfanger, die durch einen Festfrequenzoszillator erzeugt wird, von der vorgegebenen Frequenz kompensiert werden. Diese Abweichung stammt von Temperatureffekten der Oszillatoren und auch von der Alterung der Oszillatoren. Für die Rahmensynchronisation ist es dabei das Ziel, den Rahmenanfang zu finden.
Digitale Rundfunkübertragungen werden häufig mittels dem orthogonalen Frequenzmultiplex durchgeführt. Der orthogonale Frequenzmultiplex (OFDM = Orthogonal Frequency Division Multiplex) bedeutet, dass die zu übertragenden Daten auf viele nahe beieinander liegende Trager unterschiedlicher Frequenzen verteilt werden. Dabei sind die Trager derart gestaltet, dass sich die auf den Tragern verteilten Informationen gegenseitig nicht stören. Dieses Verhalten wird mit orthogonal beschrieben. Die Verwendung von OFDM fuhrt insbesondere dazu, dass der bei Funkubertragungen bekannte frequenzselektive Schwund, also eine frequenzselektive Dampfung, nicht die ganze Information, die übertragen werden soll, beeinflusst, sondern nur wenige Teile davon, so dass mittels Fehlerkorrekturverfahren, auch als Kanalcodierung bezeichnet, diese Störungen kompensiert werden können. Kanalcodierung bedeutet dabei, dass den zu übertragenden Daten Redundanz hinzugesetzt wird, aus der gegebenenfalls im Empfanger empfangene, verfälschte Daten rekonstruiert werden können. DAB und DVB sind zwei bereits eingesetzte Rundfunkubertragungsverfahren, die OFDM nutzen. Auch DRM (Digital Radio Mondial) wird OFDM für die Übertragungen im Kurz-, Mittel- und Langwellenbereich verwenden. Bei DRM muß insbesondere wegen der schwierigen Wellenausbreitungsbedingungen und den niedrigen Sendefrequenzen auf eine große Robustheit der Synchronisation und auf eine optimale Effizienz der zu übertragenden Daten geachtet werden.
Erfindungsgemaß wird daher ein Verfahren zur Synchronisation von OFDM-Symbolen bei Rundfunkübertragungen verwendet, wobei in einem ersten OFDM-Symbol eines zu übertragenden Rahmens Piloten hinzugefugt werden, so dass sich mit den bereits vorliegenden Piloten Pilotenpaare ergeben. Den Pilotenpaaren wird erfindungsgemaß eine Sequenz aufmoduliert, die empfangsseitig aus den empfangenen Signalen extrahiert wird. Durch einen Vergleich insbesondere mittels Kreuzkorrelation von der empfangenen Sequenz und einer im Empfanger abgespeicherten Sequenz wird festgestellt, ob das erste OFDM-Symbol vorliegt oder nicht. Damit wird die Rahmensynchronisation erreicht. Aus dem Maß der Kreuzkorrelation wird weiterhin die ganzzahlige Frequenzablage bestimmt.
In einer ersten groben Zeitsynchronisation, die mittels der Auswertung des Schutzintervalls eines OFDM-Symbols erreicht wird, wird die nicht ganzzahlige Frequenzablage bestimmt, um diese dann an den empfangenen OFDM-Symbolen zu korrigieren. Weiterhin ist diese grobe Zeitsynchronisation notwendig, um das Fenster für die schnelle Fourier-Transformation optimal zu plazieren. Dies liegt insbesondere daran, dass die Daten zur Rahmensynchronisation in Form der Piloten vorliegen, und daher kann die Rahmensynchronisation erst nach dem OFDM- Demodulator, also der FFT (Fast Fourier Transform = schnelle Fouriertransformation) erfolgen. Deshalb ist dieses zweistufige Verfahren zur Zeit- und Frquenzsynchronisation notwendig.
Die den Pilotenpaaren aufmodulierte Sequenz wird mittels einer differenziellen Modulation also entweder Quadraturphasenumtastung (QPSK = Quadratur Phase Shift Keying) oder binare Phasenumtastung (BPSK = Binary Phase Shift Keying) aufmoduliert. Dabei steckt nun die Information in der Änderung der Phase zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pilottragern. Dies fuhrt zu einer sehr robusten Übertragung. Bei BPSK sind dies beispielsweise die Phasen 0 und 180° und bei QPSK sind es vier Phasen, die jeweils um 90° voneinander versetzt sind, das sind dann beispielsweise 45°, 135°, 225° und 315°.
Durch eine Mittelung der Rahmensynchronisationsergebnisse über mehrere Gruppen von OFDM-Symbolen, wobei die Gruppen eine Teilmenge von Rahmen sein können, wird eine Verbesserung der Rahmensynchronisationsergebnisse erreicht, da sich Abweichungen gegeneinander ausgleichen werden.
In Figur 1 ist das erfindungsgemaße Verfahren zur Synchronisation von OFDM-Symbolen bei Rundfunkübertragungen als Blockschaltbild dargestellt. Ein Datenstrom 2 gelangt in einen OFDM-Modulator 1, um wie oben dargestellt auf verschiedene nahe beieinander liegende Trager auf unterschiedlichen Frequenzen verteilt zu werden. Im Block 3 werden den OFDM-Daten Piloten hinzugefugt, wobei im ersten OFDM-Symbol eines Rahmens Pilotenpaare erzeugt werden. Im Block 4 werden die OFDM-Symbole mit den Piloten gesendet, um dann im Block 5 über den Funkkanal übertragen zu werden. Im Block 6 werden die OFDM-Symbole empfangen, um dann in Block 7 eine grobe Zeitsynchronisation mittels Korrelation des Schutzintervalls mit dem Symbolende durchzufuhren. Diese Auswertung gelingt mittels Erkennen des Schutzintervalls eines OFDM-Symbols . Das Schutzintervall eines OFDM-Symbols hat die Aufgabe, Mehrwegeausbreitung zu kompensieren, da bei einer Funkubertragung Signale über verschiedene Wege, die unterschiedlich lang sind, vom Sender zum Empfanger gelangen können. Dies liegt daran, dass die Funksignale durch Reflexionen an Gebäuden, Bergen und Pflanzen unterschiedliche Wege vom Sender zum Empfanger nehmen. Das Schutzintervall sollte so lang gewählt sein, dass eine Überlagerung von aufeinanderfolgenden Symbolen aufgrund der Mehrwegeausbreitung ausbleibt. Das Schutzintervall bietet demnach eine Art Puffer, um eine Überlagerung von Nutzinformationen zu vermeiden.
Durch das Vorliegen einer Frequenzverschiebung zwischen Sender und Empfanger kann eine Frequenzablage existieren, die in zwei Anteile aufgeteilt werden kann. Zum einen einen Anteil, der ein ganzzahliges Vielfaches eines Tragerabstandes ist, und zum anderen einen Anteil, der den nicht ganzzahligen Rest bildet. Der ganzzahlige Anteil fuhrt lediglich zur Verschiebung aller Trager am Ausgang des OFDM- Demodulators . Damit wird die Orthogonalitat eines OFDM- übertragungssystems nicht gestört. Der nicht ganzzahlige Anteil stört jedoch die Orthogonalitat eines OFDM-Systems . Daher ist dieser nicht ganzzahlige Anteil zu schätzen, um die OFDM-Symbole um diesen nicht ganzzahligen Anteil zu korrigieren. Dies kann durch Auswertung der Phase der Autokorrelierten des Schutzintervalls geschehen. Die nachfolgende Gleichung beschreibt den mathematischen Zusammenhang zwischen der Phase φ der Autokorrelierten und dem nicht ganzzahligen Anteil df der Frequenzablage.
φ = arg{ + k)} = 2π df - T_,
Figure imgf000009_0001
mit dopt = Startposition des OFDM-Signals NPD = DFT- änge
NG = Länge des Guard-Intervalls in Abtastwerten Ta = nutzbare Symboldauer
DFT bedeutet diskrete Fouriertransformation, wobei die FFT eine DFT ist, die nach einem effizienten Algorithmus ablauft.
Dann wird der nicht ganzzahlige Anteil df für alle Abtastwerte des Empfangssignals kompensiert. Dies wird dann in Block 8 vorgenommen. Im Block 9 wird dann die OFDM- Demodulation vorgenommen. Am Ausgang der OFDM-Demodulation liegen nun die demodulierten OFDM-Symbole vor. Nun wird in Block 10 die Sequenz aus dem Piloten extrahiert. Da nun aber nicht bekannt ist, welches OFDM-Symbol das erste OFDM-Symbol ist, probiert der Empfanger die Sequenz aus verschiedenen OFDM-Symbolen zu extrahieren, um die extrahierte Sequenz dann mit einer abgespeicherten Sequenz, die genau der gesendeten Sequenz entspricht, zu vergleichen. Im Block 10 werden auch in einem OFDM-Symbol verschiedene Probierpositionen für die Pilotenextraktion verwendet, da die erste, grobe Zeitsynchronisation mit dem Schutzintervall nicht notwendigerweise genau zur Synchronisation mit dem OFDM-Symbol-Anfang fuhrt. Neben der Synchronisation mit dem Schutzintervall sind auch andere Synchronisationsalgorithmen möglich.
Der Empfanger fuhrt dabei in Block 10 eine differenzielle Demodulation durch, um die Sequenz zu extrahieren. Durch Verwendung der Kreuzkorrelation für den Vergleich der extrahierten Sequenz und der abgespeicherten Sequenz wird ein Korrelationsgutemaß Λ bestimmt, das maximal wird, wenn die demodulierte Sequenz identisch zur abgespeicherten Sequenz ist. Dasjenige OFDM-Symbol, für welches das Maximum des Korrelationsgutemaßes Λ berechnet wurde, ist das erste OFDM-Symbol eines Rahmens. Damit ist dann die Rahmensynchronisation erreicht. Die Probierposition, für die dieses Maximum berechnet wurde, gibt die ganzzahlige Frequenzablage an.
Mathematisch lasst sich die Rahmen- und
Frequenzsynchronisation wie folgt beschreiben. Es sei s eine noch zu definierende Sequenz mit guten Korrelationseigenschaften : s = [5(0),..., s(ι),...., s(Np - l)]
Durch Verschiebung der Auswertefenster wird die demodulierte Sequenz r für jedes empfangene OFDM-Symbol und für jede Probierposition g aus den empfangenen Subtragersymbolen X berechnet . rk.g =
Figure imgf000011_0001
+ g ) mit k : Nummer des OFDM-Symbols im Rahmen (k=1..15) g : Probierposition i : Index der Pilotenpaare (i=0.. Np- 1 )
Np : Anzahl der Pilotenpaare f (i) , f (i ) +l -. Subträgerindex des Pilotenpaares (Frequenz)
Xλ/. : Subträgersymbol (Zeitindex , Frequenzindex i)
Jedes einzelne Element der Sequenz r wird durch differenzielle Demodulation eines Pilotenpaares ermittelt.
Für jede demodulierte Sequenz r wird die zyklische Kreuzkorrelation mit der dem Empfanger bekannten Sequenz s berechnet. Es gilt:
φ, .(ι»)= ∑ s ' (n) - k g [(n + m) mod N,, ] (1) Nimmt man ideale Ubertragungsbedingungen an, dann entspricht die letzte Gleichung (1) der zyklischen Autokorrelation der Sequenz s, wenn sich alle Pilotenpaare im Auswertefenster der Rahmen und Frequenzsynchronisation befinden.
Zur Beurteilung der Korrelationsergebnisse lassen sich verschiedene Kreuzkorrelationsgutemaße definieren, wie z.B. den Meritfaktor (MF) , der das Verhältnis der Energie des Hauptwertes der zyklischen Kreuzkorrelation zur gesamten in den Nebenwerten enthaltenen Energie angibt:
^.(0)|
A g (k ) = MF =- (2)
∑l^,(«)l
Dieses Korrelationsgutemaß ist für jede nach Gleichung (1) ermittelte Korrelationsfolge zu ermitteln. Aus Gleichung (2) wird ersichtlich, dass der Metrikwert dann maximal wird, wenn die Sequenz r der Sequenz s am ahnlichsten ist. In diesem Fall ist die im Hauptwert der zyklischen Kreuzkorrelation enthaltene Energie maximal und die in den Nebenwerten enthaltene Energie minimal.
Ein weiteres Korrelationsgutemaß neben dem Meritfaktor ist das Verhältnis der Kreuzkorrelationshauptmaximums zum betragsgroßten Nebenmaximum. Untersuchungen zeigen jedoch, dass bei den zu erwartenden rauschformigen Störungen der Meritfaktor das geeignete Korrelationsgutemaß ist.
Bei der Wahl der Korrelationssequenz s ist folgendes zu beachten: Prinzipiell können für jede Lange der Sequenz Folgen mit perfekten Autokorrelationseigenschaften gefunden werden, mit anderen Worten, die Anzahl der Pilotenpaare ist ein wahlbarer Parameter. Aufgrund von Mehrwegeausbreitung sind die einzelnen OFDM-Symbole am Empfanger stark gestört. Da wahrend der Synchronisationsphase jedoch noch keine Kanalschatzung vorliegt, muß die Korrelationssequenz r am Empfanger durch differenzielle Demodulationen aus den einzelnen Subtragersymbolpaaren ermittelt werden. Um eine große Robustheit gegenüber Rauschstorungen zu erreichen, sollte die Anzahl der Phasenzustande der Korrelationssequenz s möglichst gering sein. Daher wird die binare Phasenumtastung oder die Quadraturphasenumtastung, die zum einen zwei und zum anderen vier Phasenzustande aufweisen, verwendet. Als Ausgangswerte des Blocks 10 liegen dann die Rahmensynchronisation 11 und die ganzzahlige Frequenzablage 12 vor.
In Figur 2 ist ein Blockschaltbild des Gesamtubertraungssystems unter Verwendung des erfindungsgemaßen Verfahrens dargestellt. Es liegen die Datenquellen 13, eine Audiocodierung 15, übrige Daten und Steuerdaten 19 vor. Diese Datenquellen 13, 15 und 19 fuhren jeweils an eine Kanalcodierung 14, 16 und 20. Nach der Kanalcodierung 14 bzw. 16 folgt jeweils eine Umsortierung der Daten in der Zeit in den Blocken 17 und 18, die als Timeinterleaving bekannt ist. Das Umsortieren der Daten nach der Zeit hat den Vorteil, das benachbarte Daten, zum Beispiel Sprachdaten, durch einen störenden Burst nicht komplett gestört werden, da sie nach dem Timeinterleaving zeitlich voneinander weiter entfernt sind. Durch Fehlerkorrekturmaßnahmen kann dann die Auswirkung dieses Bursts leichter empfangsseitig korrigiert werden.
Die Ausgangsdaten der Timeinterleaver 17, 18 und der Kanalcodierung 20 werden im Block 21 in einem Multiplex zusammengefasst . Im Block 22 werden die Daten auf verschiedene Trager verteilt, hier liegt also eine OFDM- Modulation vor. Im Block 23 werden die OFDM-Signale in den Zeitbereich transformiert, wobei die Piloten in Block 24 den OFDM-Symbolen hinzugefugt werden. In Block 25 werden die OFDM-Signale in analoge Signale zur Übertragung mittels eines Digital/Analog-Wandlers 25 umgewandelt. Der nachfolgende Hochfrequenzsender 26 mit Antenne versendet die analogen Signale über den Funkkanal 27.
Ein Hochfrequenzempfanger 28 empfangt, die über den Funkkanal 27 übertragenen OFDM-Signale. Der Hochfrequenz- Empfanger 28 übergibt die empfangenen OFDM-Signale einem Analog/Digital-Wandler 29, der die empfangenen OFDM-Signale in digitale Signale umwandelt. Im Block 30 wird eine OFDM- Demodulation vorgenommen, wobei vorher in Block 31 eine grobe Zeitsynchronisation wie oben dargestellt durchgeführt wird. Die demodulierten Signale werden dann an einen Block 32 zur Dekodierung der Steuerinformationen und/oder an einen Block 33 zum sog. Deinterleaving, also zur Umkehrung der Umsortierung der Daten in der Zeit, so dass sie nun wieder in der richtigen zeitlichen Reihenfolge vorliegen, und zur Programmauswahl versendet. Im Block 34 wird eine Kanaldekodierung durchgeführt, wahrend in Block 35 eine Dekodierung der Audiodaten oder anderen Daten durchgeführt wird.
In Figur 3 ist eine Anordnung der Piloten im ersten OFDM- Symbol eines Rahmens dargestellt. Die Zahlen in horizontaler Richtung bedeuten die unterschiedlichen Trager eines OFDM- Symbols. Mit den Symbolen 38 sind Piloten dargestellt, die bereits für die Kanalschatzung vorgesehen wurden. Mittels des Symbols 39 sind die Piloten dargestellt, die erfindungsgemaß dem ersten Symbol hinzugefugt werden, um Pilotenpaare oder gar Pilotentripel zu erzeugen. Diese zusatzlichen Piloten werden hier auch zur Verbesserung der Kanalschatzung verwendet, die für die kohärente Demodulation notwendig ist. Die Anordnung der Pilotenpaare ist zunächst beliebig, wobei eine große Anzahl von Pilotenpaaren, auf die die Sequenz aufmoduliert wird, zu besseren Rahmensynchronisationen fuhrt als eine geringere Anzahl von Pilotenpaaren. Zwischen den Piloten befinden sich Nutzinformationen, die auch im ersten Symbol, das zur Rahmensynchronisation verwendet wird, übertragen werden. Für unterschiedliche bekannte Sequenzen mit sehr guten Korrelationseigenschaften wie CAZAC-Folgen, Milewski-Folgen, Frank-Folgen, Lemple-Folgen, Differenzmengenfolgen und Quadratic-Residue-Folgen sind unterschiedliche Meritfaktoren Λ berechnet worden, wobei es sich gezeigt hat, dass für Sequenzen mit Sequenzlangen von 10, 14 und 18 mit wenig Phasenzustanden kein guter Meritfaktor berechnet werden konnte. Allerdings weist eine Sequenz mit 16 Pilotenpaaren, eine Frankfolge, einen besonders hohen Meritfaktor auf und ist daher besonders robust. Dabei wurden vier Phasenzustande, also QPSK, verwendet .
Durch eine Mittelung über Gruppen von OFDM-Symbolen, wobei die Gruppen von OFDM-Symbolen Teile eines Rahmens sein können, kann die Leistungsfähigkeit des
Synchronisationsverfahrens weiter erhöht werden. Dies liegt daran, dass sich einzelne Fehler durch eine Mittelung ausgleichen können.
Im DRM GROUND Mode, der im Mittelwellenbereich bzw. Langwellenbereich eingesetzt wird, werden die zusatzlichen Piloten, um die Pilotenpaare zu bilden, nach folgender Tabelle 1 bei den entsprechenden Tragerindices, bestimmte Frequenzen, und Phasen der Zusatztrager angeordnet:
Tabelle 1: Tragerindices der zusätzlichen Piloten und die Phasen der Zusatztrager im DRM GROUND Mode
Figure imgf000016_0001
In der folgenden Tabelle 2 sind die Tragerindices und die Phasen der zusatzlichen Trager für die hinzuzufugenden Piloten für den DRM SKY Mode gezeigt. Der DRM SKY Mode ist für den Kurzwellenbereich gedacht.
Tabelle 2: Tragerindices der zusatzlichen Piloten und die Phasen der neuen Trager im DRM SKY Mode
Figure imgf000017_0001

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Synchronisation von OFDM-Symbolen bei Rundfunkübertragungen, wobei die OFDM-Symbole in Rahmen übertragen werden, wobei die OFDM-Symbole Nutzdaten, Piloten und Schutzintervalle aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sendeseitig einem ersten OFDM-Symbol eines Rahmens zusatzliche Piloten hinzugefugt werden, so dass sich Pilotenpaare bilden, dass sendeseitig den Pilotenpaaren eine Sequenz aufmoduliert wird, dass für die empfangenen OFDM- Symbole Pilotenpaare demoduliert werden, um die Sequenz zu extrahieren, dass empfangsseitig die extrahierte Sequenz und eine abgespeicherte Sequenz verglichen werden, indem ein Maß für jedes OFDM-Symbol erzeugt wird, und dass das OFDM-Symbol mit dem größten Maß als das erste OFDM-Symbol eines Rahmes erkannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sequenz dem Piloten mittels einer differenziellen Modulation aufmoduliert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als differenzielle Modulation Quadraturphasenumtastung oder binare Phasenumtastung verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass empfangsseitig anhand der Schutzintervalle der OFDM-Symbole eine Symbolsynchronisation und eine Bestimmung einer nicht ganzzahligen Frequenzablage durchgeführt werden und dass die empfangenen OFDM-Symbole um die nicht ganzzahlige Frequenzablage korrigiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Symbolsynchronisation mittels Korrelation erreicht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht ganzzahlige Frequenzablage anhand der Phase der Autokorrelierten des Schutzintervalls bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die extrahierte und die abgespeicherte Sequenz mittels Kreuzkorrelation verglichen werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Maßes eine ganzzahlige Frequenzablage bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmensynchronisation über Gruppen von OFDM-Symbolen durch Mittelung der Rahmensynchronisationsergebnisse der Gruppen von OFDM- Symbolen durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im DRM GROUND Mode als die Tragerindices für die zusatzlichen Piloten die Tragerindices 17, 19, 21, 28, 29, 32, 33, 39, 40, 41, 53, 55, 56, 60, 61, 63, 71 sowie 73 und als die für diese Tragerindices jeweils zugehörigen Phasen 270°, 180°, 0°, 0°, 0°, 180°, 0°, 90°, 180°, 180°, 90°, 0°, 0°, 0°, 0°, 270°, 0° und 180° verwendet werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im DRM SKY Mode als die Tragerindices für die zusatzlichen Piloten die Tragerindices 14, 18, 20, 24, 26, 32, 36, 42, 44, 50, 54, 56, 62, 66 und 68 und als die zu diesen Tragerindices jeweils zugehörigen Phasen 90°, 180°, 0°, 0°, 180°, 90°, 0°, 180°, 270°, 0°, 0°, 270°, 0° und 180° verwendet werden.
12. Rundfunksender und Rundfunkempfänger zur Durchfuhrung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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