CH682363A5 - - Google Patents

Description

5 5

10 10th

15 15

20 20th

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30 30th

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40 40

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CH 682 363 A5 CH 682 363 A5

Beschreibung description

Technisches Gebiet Technical field

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von digitalen Daten über einen zeit- und frequenzselektiven Kanal, bei welchem über mindestens zwei verschiedene Sendeantennen die selben digitalen Daten zu mindestens einem Empfänger mittels mindestens zwei modulierter Trägerschwingungen, die dieselbe Frequenz haben, übertragen werden. The invention relates to a method for the transmission of digital data via a time and frequency selective channel, in which the same digital data are transmitted to at least one receiver by means of at least two modulated carrier oscillations having the same frequency via at least two different transmitting antennas.

Stand der Technik State of the art

Bei gewissen Anwendungen ist es nötig, ein Mobilfunksystem mit mehreren gemeinsamen Kanälen zur Verfügung zu haben, die einen möglichst grossen Bereich (mehrere Zellen) abdecken. Ein typisches Beispiel dafür ist ein Polizeifunksystem, bei welchem während einer grossangelegten Fahndungsaktion viele Mobilfunkstationen den Verlauf der Aktion mitverfolgen können müssen, indem sie sich dem gemeinsamen Kanal (Zentrale) aufschalten. For certain applications it is necessary to have a mobile radio system with several common channels available which cover the largest possible area (several cells). A typical example of this is a police radio system, in which many mobile radio stations must be able to follow the course of the action during a large-scale search operation by connecting to the common channel (headquarters).

Aus dem Artikel «Field Test Measurement for 920 MHz Transmitter Diversity», S. Ogose, Electronics Letters, Feb. 1985, Vol. 21 No. 4, pp. 159-161, ist ein unter der Bezeichnung «Simulcast» geläufiges Datenübertragungsverfahren bekannt. Dabei übertragen mehrere Sender die gleichen digitalen Daten mittels FM-Signalen auf unterschiedlichen Frequenzen. Die Sendeantennen stehen entweder in unmittelbarer Nähe zueinander (20-30 m) oder gehören zu verschiedenen Basisstationen (6-8 km). Da die verschiedenen Zellen mit unterschiedlichen Frequenzen bedient werden, müssen die mobilen Stationen umschalten, wenn sie von einer Zelle in eine andere wechseln. From the article "Field Test Measurement for 920 MHz Transmitter Diversity", S. Ogose, Electronics Letters, Feb. 1985, Vol. 21 No. 4, pp. 159-161, a data transmission method known under the name "Simulcast" is known. Several transmitters transmit the same digital data using FM signals on different frequencies. The transmit antennas are either in close proximity to each other (20-30 m) or belong to different base stations (6-8 km). Since the different cells are operated with different frequencies, the mobile stations have to switch when they change from one cell to another.

Ein System, bei dem mehrere Zellen einen zusammenhängenden Bereich mit derselben Frequenz bedienen, geht aus der Veröffentlichung «Transmitter Diversity for a Digital FM-Paging System», F. Adachi, IEEE Trans, on Vehicular Technology, Vol. VT-28, No. 4, Nov. 1979, pp. 333-337, hervor. Auch hier werden die selben Grunddaten über separate Antennen gesendet. Allerdings haben alle FM-Signale die selbe Trägerfrequenz. Die Unterscheidung wird durch die unterschiedliche Wahl der Modulationsindizes ermöglicht. A system in which several cells serve a contiguous area with the same frequency is described in the publication “Transmitter Diversity for a Digital FM-Paging System”, F. Adachi, IEEE Trans, on Vehicular Technology, Vol. VT-28, No. 4, Nov. 1979, pp. 333-337. Here too, the same basic data is sent via separate antennas. However, all FM signals have the same carrier frequency. The differentiation is made possible by the different choice of modulation indices.

Das bekannte Problem von Mobilfunkkanälen ist der zeit- und frequenzselektive Schwund. Es ist schon vorgeschlagen worden, die mobile Station (das Automobil) mit mehreren Empfangsantennen zu bestücken (Empfangsantennen Diversity). Wenn der Abstand dieser Antennen mehr als eine halbe Wellenlänge beträgt, dann können die Rauschanteile der Empfangssignale der verschiedenen Antennen als statistisch unabhängig betrachtet werden. Die einzelnen Signale überlagern sich damit im Prinzip immer konstruktiv. Es ist aber klar, dass mit dieser Technik keine Handgeräte gebaut werden können. The well-known problem of mobile radio channels is the time and frequency selective fading. It has already been proposed to equip the mobile station (the automobile) with a plurality of receiving antennas (diversity receiving antennas). If the distance between these antennas is more than half a wavelength, then the noise components of the received signals from the different antennas can be regarded as statistically independent. In principle, the individual signals therefore always overlap constructively. However, it is clear that handheld devices cannot be built with this technology.

Bei der oben erläuterten sog. Transmitter Diversity ist es dagegen möglich, dass sich die verschiedenen Signale destruktiv überlagern. Bei gleicher Trägerfrequenz ist es für den verbesserten Empfang wichtig, dass sich die Modulationsarten so unterscheiden, dass im mobilen Empfänger die verschiedenen Pfade aufgelöst werden können. In the case of the so-called transmitter diversity explained above, on the other hand, it is possible for the various signals to overlap destructively. For the same carrier frequency, it is important for improved reception that the types of modulation differ so that the different paths can be resolved in the mobile receiver.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das für die Übertragung digitaler Daten über zeit- und frequenzselektive Kanäle geeignet ist. Insbesondere soll die Bandbreite durch die Übertragung nicht vergrössert werden. The object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset which is suitable for the transmission of digital data via time and frequency selective channels. In particular, the bandwidth should not be increased by the transmission.

Erfindungsgemäss besteht die Lösung darin, dass a) die Trägerschwingungen im Sinn der Quadratur-Amplituden-Modulation moduliert werden, wobei b) für alle Trägerschwingungen derselbe Basisbandpuls verwendet wird und c) die gleichen digitalen Daten mit einem für jedeTrägerschwingung eigenen Coder derart zu Symbolen codiert werden, dass über verschiedene Sendeantennen unterschiedliche Symbole übertragen werden. According to the invention, the solution is that a) the carrier vibrations are modulated in the sense of quadrature amplitude modulation, b) the same baseband pulse is used for all carrier vibrations and c) the same digital data are encoded in such a way with symbols using a coder specific to each carrier vibration that different symbols are transmitted via different transmit antennas.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere Signale im gleichen Frequenzband über lokal unterschiedliche Pfade übertragen werden, so dass einerseits den Schwunderscheinungen entgegengetreten werden kann, andererseits aber die Bandbreite nicht gedehnt wird. The method is characterized in that several signals are transmitted in the same frequency band via locally different paths, so that on the one hand the fading phenomena can be countered, but on the other hand the bandwidth is not expanded.

Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Coder Transversalfilter, deren Koeffizienten fj.p. so gewählt sind, dass die gleichzeitig übertragenen Symbole im Fall eines einzel codierten Datenpulses orthogonal zueinander sind: According to an advantageous embodiment, the coder transversal filters, whose coefficients fj.p. are selected such that the symbols transmitted simultaneously are orthogonal to one another in the case of an individually coded data pulse:

2 = c*öi,j 2 = c * öi, j

V- V-

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

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65 65

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Durch diese Massnahme ist gewährleistet, dass sich die einzelnen Übertragungssignale im Empfänger trotz des für alle Pfade gleichen Basisbandpulses gut trennen lassen. This measure ensures that the individual transmission signals in the receiver can be separated well despite the baseband pulse being the same for all paths.

Durch die Übertragung von genau zwei modulierten Trägerschwingungen (d.h. die Verwendung von nur zwei Sendeantennen) kann in den meisten Fällen eine genügend hohe Verbindungsqualität erreicht werden bei vernünftigem senderseitigem Aufwand. Auch muss der Empfänger dann nicht allzu viele parallele Signalauswertungen durchführen. In most cases, the transmission of exactly two modulated carrier vibrations (i.e. the use of only two transmit antennas) enables a sufficiently high connection quality to be achieved with reasonable effort on the transmitter side. The receiver then also does not have to carry out too many parallel signal evaluations.

Da die übertragenen Symbole mit Hilfe eines Viterbialgorithmus', dessen Komplexität bekanntlich ex-ponentiell mit der Gedächtnislänge steigt, aufgelöst werden müssen, ist es empfehlenswert, ein möglichst kurzes Transversalfilter für die Codierung der digitalen Daten zu verwenden. Since the transmitted symbols have to be resolved with the aid of a Viterbi algorithm, the complexity of which increases exponentially with memory length, it is advisable to use a transversal filter as short as possible for coding the digital data.

Die Erfindung schlägt zwei besonders einfache Varianten mit je zwei Koeffizienten pro Pfad vor. Die erste arbeitet mit folgenden Koeffizienten: The invention proposes two particularly simple variants, each with two coefficients per path. The first works with the following coefficients:

fi,o = 1, fi,i = 1, f2,0 = 1, f2,1 = -1. fi, o = 1, fi, i = 1, f2.0 = 1, f2.1 = -1.

Sie eignet sich inbesondere für Anwendungen mit nicht vernachlässigbaren Laufzeitunterschieden. It is particularly suitable for applications with non-negligible runtime differences.

Die zweite Variante beruht auf den Koeffizienten: The second variant is based on the coefficients:

f 1,0 = 1. fl,1 = 0, f2,0= 0, f2,1 = 1. f 1.0 = 1. fl, 1 = 0, f2.0 = 0, f2.1 = 1.

Ihr Vorteil liegt darin, dass der Empfänger nicht zwangsläufig eine Kanalschätzung durchführen muss. Your advantage is that the receiver does not necessarily have to carry out a channel estimation.

Die Erfindung offenbart auch eine Anlage zum Durchführen des erwähnten Verfahrens, deren Merkmale im Patentanspruch 6 definiert sind. Eine solche Anlage verfügt insbesondere über mindestens zwei Sendeantennen, Senderschaltungen für jede Sendeantenne zum Erzeugen einer modulierten Trägerschwingung nach dem Prinzip der Quadratur-Amplituden-Modulation unter Verwendung eines gegebenen Basisbandpulses und über ein Transversalfilter für jede Sendeantenne zum Codieren der digitalen Daten in unterschiedliche Symbole. The invention also discloses a plant for performing the mentioned method, the features of which are defined in claim 6. Such a system has in particular at least two transmit antennas, transmitter circuits for each transmit antenna for generating a modulated carrier oscillation according to the principle of quadrature amplitude modulation using a given baseband pulse, and a transversal filter for each transmit antenna for coding the digital data into different symbols.

Um in den Genuss der Vorteile der erfindungsgemässen Mehrfachübertragung zu kommen, sollten die Sendeantennen einen gegenseitigen Abstand von mehr als einer Wellenlänge der Trägerschwingung haben. In order to enjoy the advantages of the multiple transmission according to the invention, the transmitting antennas should be at a mutual distance of more than one wavelength of the carrier oscillation.

Im Sinn einer sog. «Antennen Diversity» können die Sendeantennen so nahe nebeneinander sein, dass sich ihre Sendebereiche im wesentlichen überdecken. Die mobilen Stationen haben dann im ganzen Empfangsbereich der entsprechenden Basistation zwei Signale zur Auswertung zur Verfügung. In the sense of what is known as “antenna diversity”, the transmission antennas can be so close to one another that their transmission ranges essentially overlap. The mobile stations then have two signals available for evaluation in the entire reception area of the corresponding base station.

Wenn das mobile Funkgerät gleichzeitig die Signale zweier verschiedener Basisstationen auswertet (Base Station Diversity), dann geschieht dies vorzugsweise im Randbereich der Zellen, wo einerseits die Signalpegel etwa gleich gross und andererseits die Unterschiede in der Laufzeit zwischen den verschiedenen Sendeantennen und dem Empfänger viel kleiner als eine Symboldauer eines einzelnen Datenpulses sind. If the mobile radio device evaluates the signals from two different base stations at the same time (base station diversity), this is preferably done in the edge area of the cells, where on the one hand the signal levels are approximately the same size and on the other hand the differences in transit time between the different transmitter antennas and the receiver are much smaller than are a symbol duration of a single data pulse.

Aus der Gesamtheit der abhängigen Patentansprüchen ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen. Insbesondere beschränkt sich die Erfindung nicht auf die explizit beschriebenen Merkmalskombinationen. Further advantageous embodiments and combinations of features result from the totality of the dependent patent claims. In particular, the invention is not limited to the combinations of features explicitly described.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen: The invention is to be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and in connection with the drawings. Show it:

Fig. 1 eine Darstellung einer Sendeanlage mit mehreren Sendeantennen, die alle dieselben digitalen Daten übertragen; 1 shows an illustration of a transmitter system with a plurality of transmitter antennas, all of which transmit the same digital data;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine mobile Station dieselben Daten über verschiedene Basistationen im Sinn eines Simulcast Systems empfängt; 2 shows an embodiment in which a mobile station receives the same data via different base stations in the sense of a simulcast system;

Fig. 3 ein Blockschaltbilt eines erfindungsgemässen 2-Antennensenders; 3 shows a block circuit diagram of a 2-antenna transmitter according to the invention;

Fig. 4 ein Transversalfilter für die Symbolcodierung; 4 shows a transversal filter for the symbol coding;

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Empfängers; Fig. 5 is a block diagram of a receiver;

Fig. 6 eine Darstellung der Bitfehlerwahrscheinlichkeit mit und ohne Diversity; und 6 shows a representation of the bit error probability with and without diversity; and

Fig. 7 eine Darstellung des Worst Case Performance Index für die Ausführungsbeispiele mit 2 parallelen 2-Bitcodierungen. 7 shows a representation of the worst case performance index for the exemplary embodiments with 2 parallel 2-bit encodings.

Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In principle, the same parts are provided with the same reference symbols in the figures.

Wege zur Ausführung der Erfindung Ways of Carrying Out the Invention

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Erfindung. Drei separate Sendeantennen 1.1, 1.2, 1.3 übertragen gleichzeitig die von einer gemeinsamen Datenquelle 2 stammenden digitalen Daten ak. Jede Sendeantenne wird von einer Senderschaltung 3.1, 3.2, 3.3 gespeist. In diesen Senderschaltungen 3.1, 3.2, 3.3 werden die digitalen Daten ak zunächst codiert und dann im Sinn eines linearen QAM-Verfahrens (Qadratur Fig. 1 shows the principle of the invention. Three separate transmit antennas 1.1, 1.2, 1.3 simultaneously transmit the digital data ak originating from a common data source 2. Each transmit antenna is fed by a transmitter circuit 3.1, 3.2, 3.3. In these transmitter circuits 3.1, 3.2, 3.3, the digital data ak are first encoded and then in the sense of a linear QAM method (Qadratur

3 3rd

5 5

10 10th

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20 20th

25 25th

30 30th

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CH 682 363 A5 CH 682 363 A5

Amplituden Modulation) einer Trägerschwingung einer gegebenen Frequenz aufmoduliert. Jede Senderschaltung 3.1, 3.2, 3.3 führt eine für sie eigene Codierung durch. Die Trägerschwingungen der verschiedenen Senderschaltungen 3.1, 3.2, 3.3 haben dagegen alle dieselbe Frequenz fo. Amplitude modulation) of a carrier oscillation of a given frequency. Each transmitter circuit 3.1, 3.2, 3.3 carries out its own coding. The carrier oscillations of the different transmitter circuits 3.1, 3.2, 3.3, however, all have the same frequency fo.

Die drei Sendeantennen 1.1, 1.2, 1.3 überdecken einen gemeinsamen Empfangsbereich (vgl. fett gedruckte Linie). Sie sind bei ein und der selben Basisstation aufgebaut. Sie haben einen gegenseitigen Abstand von mindestens einer Wellenlänge der Trägerfrequenz fo. Typischerweise beträgt der genannte Abstand 10-50 m. Die sich im gemeinsamen Empfangsbereich bewegenden mobilen Stationen 4.1, 4.2 empfangen also (im Regelfall) stets alle drei der abgestrahlten Signale gleichzeitig. The three transmission antennas 1.1, 1.2, 1.3 cover a common reception area (see bold line). They are set up at one and the same base station. They are at a mutual distance of at least one wavelength of the carrier frequency fo. The specified distance is typically 10-50 m. The mobile stations 4.1, 4.2 moving in the common reception area therefore always receive (as a rule) all three of the emitted signals simultaneously.

Fig. 2 zeigt eine Sendeanlage bei der jede Basisstation 5.1, 5.2 über nur eine Sendeantenne 1.4, 1.5 verfügt (Simulcast). Die Empfangsbereiche 6.1, 6.2 überlappen nur am Rand (vgl. fett umrahmten Bereich). Die mobile Station 4.1, die sich in diesem Bereich befindet, empfängt beide Basisstationen 5.1, 5.2 mit etwa dem gleichem Pegel und der gleichen Laufzeit. Die Differenz der Laufzeiten ist klein im Verhältnis zur Symboldauer T der übertragenen Daten. Damit die gleichen digitalen Daten im wesentlichen zur gleichen Zeit übertragen werden können (Base Station Diversity), existiert eine separate Synchronisationsverbindung 7 (separater Funkkanal oder fest installierte Leitung) zwischen den Basisstationen 5.1, 5.2. 2 shows a transmission system in which each base station 5.1, 5.2 has only one transmission antenna 1.4, 1.5 (simulcast). The reception areas 6.1, 6.2 only overlap at the edge (see the area framed in bold). The mobile station 4.1, which is located in this area, receives both base stations 5.1, 5.2 with approximately the same level and the same runtime. The difference in the transit times is small in relation to the symbol duration T of the transmitted data. So that the same digital data can be transmitted essentially at the same time (base station diversity), there is a separate synchronization connection 7 (separate radio channel or permanently installed line) between the base stations 5.1, 5.2.

Diese kann z.B. eine ganze Gruppe von gebietsmässig zusammenhängenden Basisstationen mit einer Zentrale verbinden. This can e.g. connect a whole group of geographically connected base stations to a central office.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemässen 2-Antennen-Senders (Basisstation mit zwei Sendeatennen 1.1, 1.2). Die gemeinsame Datenquelle 2 liefert die digitalen Daten ak mit einer vorgegebenen Rate 1/T. Sie werden in jeder Senderschaltung 3.1, 3.2 in einem Coder 8.1, 8.2 codiert und dann entsprechend der Symboldauer T abgetastet. In einem Pulsformer 9.1, 9.2 werden die einzelnen Symbole geformt und linear zu einem Übertragungssignal s(t) überlagert. Dieses wird schliesslich im Sinn einer Amplitudenmodulation einer Trägerschwingung der Frequenz fo aufmoduliert (Modulatoren 10.1, 10.2). 3 shows a block diagram of an inventive 2-antenna transmitter (base station with two transmission antennas 1.1, 1.2). The common data source 2 supplies the digital data ak at a predetermined rate 1 / T. They are encoded in a transmitter 8.1, 8.2 in each transmitter circuit 3.1, 3.2 and then scanned according to the symbol duration T. The individual symbols are shaped in a pulse shaper 9.1, 9.2 and are linearly superimposed on a transmission signal s (t). This is finally modulated on in the sense of amplitude modulation of a carrier oscillation of frequency fo (modulators 10.1, 10.2).

Die verschiedenen Senderschaltungen 3.1, 3.2 unterscheiden sich im wesentlichen nur bezüglich der Coderfunktionen. Insbesondere erzeugen die Pulsformer 9.1, 9.2 die selben Basisbandpulse g(t). Ebenso haben alle Trägerschwingungen die selbe Trägerfrequenz fo. Absolute Identität ist dabei nicht nötig. Es genügt, wenn die Trägerfrequenzen fo resp. die Basisbandpulse g(t) so ähnlich sind, dass sie von den mobilen Empfängern 4.1, 4.2 nicht unterschieden werden können. The different transmitter circuits 3.1, 3.2 essentially differ only with regard to the encoder functions. In particular, the pulse formers 9.1, 9.2 generate the same baseband pulses g (t). Likewise, all carrier vibrations have the same carrier frequency fo. Absolute identity is not necessary. It is sufficient if the carrier frequencies fo or. the baseband pulses g (t) are so similar that they cannot be distinguished by the mobile receivers 4.1, 4.2.

Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt in der Wahl der Coder 8.1, 8.2 resp. ihrer Codierungsfunktionen. Diese unterscheiden sich in wohldefinierter Weise von Senderschaltung zu Senderschaltung. An essential point of the invention lies in the choice of the encoder 8.1, 8.2 or. their coding functions. These differ in a well-defined manner from transmitter circuit to transmitter circuit.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines bevorzugten Coders. Er umfasst ein Verzögerungsglied 11, zwei Multipliziereinheiten 12.1, 12.2 und ein Summierglied 13. Die digitalen Daten ak werden entsprechend der Formel: Fig. 4 shows a block diagram of a preferred encoder. It comprises a delay element 11, two multiplier units 12.1, 12.2 and a summing element 13. The digital data ak are in accordance with the formula:

(I) si,n = s an-y. ^i,ix ' i = 1 * 2 (I) si, n = s an-y. ^ i, ix 'i = 1 * 2

V- V-

codiert. Gemäss der Erfindung sind die Koeffizienten fii(i der verschiedenen Coder so aufeinander abgestimmt, dass sie folgende Beziehung erfüllen: coded. According to the invention, the coefficients fii (i of the various coders are matched to one another in such a way that they fulfill the following relationship:

(XI) E = c 6j.rj / i = 1 , 2; j = 1 , 2 (XI) E = c 6j.rj / i = 1, 2; j = 1, 2

V V

(8i,j bezeichnet in üblicher Weise das Kronecker-Delta; c ist eine unbedeutende Normierungskonstante, die bei geeigneter Wahl der Koeffizienten fi.n zu 1 wird.) Gleichung (II) ist eine Orthogonalitätsbedin-gung, die zur Folge hat, dass die verschiedenen Übertragungssignale Si(t) (8i, j designates the Kronecker delta in the usual way; c is an insignificant normalization constant which, if the coefficients fi.n are chosen appropriately, becomes 1.) Equation (II) is an orthogonality condition that has the consequence that the different transmission signals Si (t)

(III) Si(t) = 2 Si/Tjlg(t-]JLT) (III) Si (t) = 2 Si / Tjlg (t-] JLT)

bei der Übertragung eines einzigen (isolierten) Symbols orthogonal zueinander sind. Mit anderen Worten: Wenn auf die erfindungsgemässe Art nur ein einziges Symbol übertragen wird, dann kann der Empfänger die verschiedenen Übertragungspfade ohne Intersymbolinterferenz, im folgenden kurz ISI genannt, auflösen. are orthogonal to each other when transmitting a single (isolated) symbol. In other words: If only a single symbol is transmitted in the manner according to the invention, then the receiver can resolve the various transmission paths without inter-symbol interference, hereinafter referred to as ISI.

Es wird dabei die für die QAM übliche Voraussetzung über die Basisbandpulse g(t) getroffen: The usual prerequisite for QAM is met via the baseband pulses g (t):

4 4th

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

CH 682 363 A5 CH 682 363 A5

(IV) (IV)

g(t-n1T)g(t-n2T) dt = ö(n1,n2) g (t-n1T) g (t-n2T) dt = ö (n1, n2)

(S(ni,ri2) bezeichnet einen Diracstoss mit Zentrum n-iT = nzl.) D.h. die um eine ganze Symboldauer verschobenen Basisbandpulse sind orthogonal zueinander. (S (ni, ri2) denotes a Dirac impact with center n-iT = nzl.) the baseband pulses shifted by an entire symbol duration are orthogonal to one another.

Nun wird aber in der Regel nicht nur ein einziges Symbol, sondern eine längere Abfolge von Symbolen Si,n, n = 1, 2 übertragen. Dadurch entsteht eine gewisse ISI, da die zeitverschobenen Pulse gi'(t) und gj'(t-nT), die von der Form Now, however, usually not only a single symbol, but a longer sequence of symbols Si, n, n = 1, 2 is transmitted. This creates a certain ISI, since the time-shifted pulses gi '(t) and gj' (t-nT) are caused by the shape

(V) gi'(t) = E fi/mg(t-mT) (V) gi '(t) = E fi / mg (t-mT)

m sind, für n < > 0 nicht mehr orthogonal zueinander sind. Es ist nämlich zu beachten, dass bei kontinuierlicher Datenübertragung das Übertragungssignal Sj(t) gegeben ist durch: m are no longer orthogonal to each other for n <> 0. It should be noted that with continuous data transmission, the transmission signal Sj (t) is given by:

(VI) Si(t) = E a^gi1 ( t-y.T) (VI) Si (t) = E a ^ gi1 (t-y.T)

y- y-

Die ISI kann zu einer gegenüber dem optimalen Antennen Diversity Gewinn degradierten Empfangsqualität führen. The ISI can lead to a degraded reception quality compared to the optimal antenna diversity gain.

Im folgenden werden nun zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele A und B miteinander verglichen. Beide entsprechen den Blockschaltbildern der Figuren 3 und 4. D.h. es sind zwei Pfade vorgesehen, wobei in jedem'Pfad ein zweistufiges Transversalfilter als Coder vorhanden ist. Two preferred exemplary embodiments A and B are now compared with one another. Both correspond to the block diagrams of Figures 3 and 4. That is. two paths are provided, with a two-stage transversal filter as a coder in each path.

System A arbeitet mit folgenden Koeffizienten: System A works with the following coefficients:

fl,0=1,fl,1 = 1 fe,0 = 1, f2,1 = -1 fl, 0 = 1, fl, 1 = 1 fe, 0 = 1, f2,1 = -1

(Für alle anderen Koeffizienten gilt fj,n = 0, ji ... -3, -2, -1, 2, 3 ...) Die Orthogonalltätsbedingung (II) ist klar erfüllt. (For all other coefficients, fj, n = 0, ji ... -3, -2, -1, 2, 3 ...) The orthogonality condition (II) is clearly fulfilled.

Um System A mit anderen Diversity-Systemen vergleichen zu können, wird angenommen, dass das Übertragungssignal mit zeitinvarianten Schwundkoeffizienten Xi,n = Xi,n+1 (für alle n) belastet ist. Das äquivalente zeitdiskrete Modell eines solchen Simulcast Systems lässt sich wie folgt darstellen: In order to be able to compare system A with other diversity systems, it is assumed that the transmission signal is loaded with time-invariant fading coefficients Xi, n = Xi, n + 1 (for all n). The equivalent time-discrete model of such a simulcast system can be represented as follows:

(VII) rfi = ajx + n^i (VII) rfi = ajx + n ^ i

(VIII) 3ji = a^(xi|i + X2pJ + an-i (xi^—X2|x) (VIII) 3ji = a ^ (xi | i + X2pJ + an-i (xi ^ —X2 | x)

r|i bezeichnet dabei das verrauschte und durch Schwund gestörte Empfangssignal. Da die freie Euklidische Distanz dfree2 bekanntlich ein Mass für die erreichbaren Fehlerwahrscheinlichkeiten in Anwesenheit von ISI ist, wird das Verhältnis p («Performance Index») r | i denotes the noisy received signal disturbed by fading. As the free Euclidean distance dfree2 is known to be a measure of the achievable error probabilities in the presence of ISI, the ratio p (“performance index”)

^free^ ^ free ^

(VII) p = (VII) p =

(quadrierte ED für Pfad Diversity, ohne ISI) (squared ED for path diversity, without ISI)

(ED = Euklidische Distanz) gebildet, das asymptotisch den durch ISI bedingten Verlust anzeigt. Für System A ergibt sich: (ED = Euclidean distance), which asymptotically indicates the loss caused by ISI. For system A the following results:

(VIII) p = (|x + x |2 + |x - x | 2 ) / ( [ x |2 + |x |2) = 1 (VIII) p = (| x + x | 2 + | x - x | 2) / ([x | 2 + | x | 2) = 1

12 12 1 2 12 12 1 2

(Es wird darauf hingewiesen, dass die freie ED eines Systems mit einem Verzögerungsglied propor- (It should be noted that the free ED of a system is proportional to a delay element.

5 5

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

CH 682 363 A5 CH 682 363 A5

tional zur Summe der quadrierten Koeffizienten ist.) Aus Formel (VIII) ergibt sich somit, dass ein optimaler Antennen Diversity Gewinn ohne Dehnung der Bandbreite erzielt wird. tional to the sum of the squared coefficients.) From formula (VIII) it follows that an optimal antenna diversity gain is achieved without stretching the bandwidth.

Das System B ist durch folgende Koeffizienten fi,^ definiert: System B is defined by the following coefficients fi, ^:

fi,o = 1, fu = 0 f2,0 = 0, f2,1 = 1 fi, o = 1, fu = 0 f2.0 = 0, f2.1 = 1

(Alle anderen fitfi sind 0.) Das äquivalente zeitdiskrete Modell dieses Systems lässt sich wie folgt darstellen: (All other fitfi are 0.) The equivalent discrete-time model of this system can be represented as follows:

(IX) a li — auxi li -f (Xll—1 X2u (IX) a li - auxi li -f (Xll-1 X2u

Das Empfangssignal r^ bezeichnet ergibt sich aus Gleichung (VII). Für den Performance Index erhält man in analoger Weise: The received signal called r ^ results from equation (VII). For the performance index you get in an analogous way:

(IX) p = (|x |2 + |x |2) / ((x |2 + |x |2) = 1 (IX) p = (| x | 2 + | x | 2) / ((x | 2 + | x | 2) = 1

12 12 12 12

Auch hier wird der volle Antennen Diversity Gewinn realisiert. The full antenna diversity gain is also realized here.

Bei System A haben beide Koeffizienten dieselbe Varianz: In system A, both coefficients have the same variance:

(X) ai2 = G22, = CTX12 + Ox22 (X) ai2 = G22, = CTX12 + Ox22

Aus diesem Grund braucht es in einem Simulcast Funknetzwerk für die Auflösung des Signals einen Equalizer Empfänger mit einer Kanalschätzung. For this reason, an Equalizer receiver with a channel estimate is required in a Simulcast radio network for the resolution of the signal.

Im Gegensatz dazu gilt für das System B: In contrast, the following applies to system B:

(XI) ai2 = axl2, 022 = ax22 (XI) ai2 = axl2, 022 = ax22

Ausserhalb des gemeinsamen Empfangsbereichs (vgl. fett eingerahmter Bereich in Fig. 2), wo nur eine der beiden Basisstationen (z.B. die Basisstation 5.1) empfangen wird, gilt ax2 » axi. Infolgedessen können in einem Simulcast Funksystem mit der Codierung B zwei Klassen von Empfängern verwendet werden: Outside the common reception area (see the area framed in bold in Fig. 2), where only one of the two base stations (e.g. base station 5.1) is received, ax2 »axi applies. As a result, two classes of receivers can be used in a Simulcast radio system with coding B:

1. Kostengünstige Empfänger ohne Kanalschätzung, welche die Diversity der Basisstationen nicht ausnützen: 1. Inexpensive receivers without channel estimation, which do not take advantage of the diversity of the base stations:

2. Equalizer-Empfänger, welche die zur Verfügung stehende Diversity voll ausnützen. 2. Equalizer receivers that take full advantage of the diversity available.

Da es im System B dem Empfänger freigestellt ist, die Diversity zu benützen, können in einem entsprechenden Simulcast System sowohl bestehende (alte) als auch neue Empfangsgeräte gleichzeitig verwendet werden. Bei einer Umstellung eines Simulcast Funknetzwerkes entsprechend dem Ausführungsbeispiel B bleibt also die Kompatibilität gewahrt. Since in system B the recipient is free to use diversity, both existing (old) and new receiving devices can be used simultaneously in a corresponding simulcast system. If a simulcast radio network is converted in accordance with exemplary embodiment B, compatibility is thus maintained.

Die beiden Ausführungsbeispiele können auch bei einem System gemäss Fig. 1 (Sender-Antennen Diversity) verwendet werden, wo eine Basisstation mit mehreren, um mindestens eine Wellenlänge be-abstandeten Sendeantennen 1.1, 1.2, 1.3 ausgestattet ist. Der Aufwand zur Synchronisation der Übertragungssignale (im Hinblick auf eine möglichst kleine Laufzeitdifferenz beim Empfänger) ist hier weit geringer als bei einem entsprechenden Simulcast System. Der Diversity Gewinn ist vergleichbar mit dem eines mobilen Empfängers mit mehreren Empfangsantennen (wo sich die verschiedenen Signale stets konstruktiv überlagern). Die Erfindung kann ihre Vorteile somit insbesondere für Handfunkgeräte entfalten. The two exemplary embodiments can also be used in a system according to FIG. 1 (transmitter-antenna diversity), where a base station is equipped with a plurality of transmit antennas 1.1, 1.2, 1.3 spaced apart by at least one wavelength. The effort to synchronize the transmission signals (with regard to the smallest possible transit time difference at the receiver) is far less than with a corresponding simulcast system. The diversity gain is comparable to that of a mobile receiver with several receiving antennas (where the different signals always overlap constructively). The invention can thus develop its advantages, in particular for handheld radios.

Fig. 6 zeigt die Bitfehlerrate BER in Abhängigkeit vom Rauschabstand Eb/N0 für ein konventionelles System mit einem Pfad (Kurve P1) und für ein erfindungsgemässes System mit 2-Basisstationen-Di-versity (Kurve P2). Der Übertragungskanal wurde als Rayleigh Fading Kanal modelliert. Im Empfänger wurde eine datenunterstützte Kanalschätzung (data aided Channel estimation) vorausgesetzt. Durch die erfindungsgemässe Antennen Diversity (Kurve P2) ist die BER bei Eb/N0 = 10 dB bereits um etwa 3 dB besser als beim Stand der Technik. Bei Eb/N0 = 20 dB beträgt der Gewinn bereits gut 10 dB. 6 shows the bit error rate BER as a function of the signal-to-noise ratio Eb / N0 for a conventional system with a path (curve P1) and for a system according to the invention with 2 base station diversity (curve P2). The transmission channel was modeled as a Rayleigh fading channel. A data-aided channel estimation was required in the receiver. Due to the antenna diversity according to the invention (curve P2), the BER at Eb / N0 = 10 dB is already about 3 dB better than in the prior art. With Eb / N0 = 20 dB, the gain is already a good 10 dB.

Die beiden Systeme A und B können auch unter dem Aspekt des nicht vernachlässigbaren Laufzeitunterschieds 7 verglichen werden. Für den einfachen Fall der Übertragung eines einzigen Symbols («one shot») wurde eine Worst-Case-Abschätzung für den in Formel (VII) definierten Performance Index durchgeführt. Es ergab sich folgendes: The two systems A and B can also be compared under the aspect of the non-negligible runtime difference 7. For the simple case of the transmission of a single symbol (“one shot”), a worst-case estimate was carried out for the performance index defined in formula (VII). The following resulted:

(XIII) PA,min = 1 - 1/z I sinc(r-T)-sinc(7+T)| (XIII) PA, min = 1 - 1 / z I sinc (r-T) -sinc (7 + T) |

(XIV) PB,min = 1-1 Sinc(lH-T) | (XIV) PB, min = 1-1 Sinc (lH-T) |

6 6

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

CH 682 363 A5 CH 682 363 A5

wobei in which

(XV) sinc(x) = sin(x)/x T = Symboldauer (XV) sinc (x) = sin (x) / x T = symbol duration

Fig. 7 zeigt eine grafische Darstelllung der Performance Indizes (Kurve A: pA.min; Kurve B: pB.min)-Für y = -T löschen sich beim System B die Signale der beiden Basisstationen aus (pB.min = 0). 7 shows a graphical representation of the performance indices (curve A: pA.min; curve B: pB.min). For y = -T, the signals of the two base stations in system B are canceled (pB.min = 0).

Der Performance Index des Systems A ist dagegen nie kleiner als Vz. In Gegenwart von Laufzeitunterschieden ist die Variante A der Varianten B also vorzuziehen. The performance index of system A, on the other hand, is never less than Vz. In the presence of runtime differences, variant A is therefore preferable to variant B.

Bei kontinuierlicher Datenübertragung kann der Performance Index schlechter werden. Auf jeden Fall ist er aber bei der 5 Variante A immer grösser als 0. With continuous data transmission, the performance index can deteriorate. In any case, it is always greater than 0 for the 5 variant A.

Bisher wurde nur über die Sendeanlage und ihre Einzelheiten gesprochen. Auf den Empfänger wurde nicht näher eingegangen. Der Grund liegt darin, dass der Kern der Erfindung auf der Senderseite zum Ausdruck kommt. Sobald die erfindungsgemässe Struktur der Sendeanlage vorgegeben ist, kann ein Empfänger ohne erfinderisches Zutun vom Fachmann entwickelt werden. So far, only the transmitter and its details have been discussed. The recipient was not discussed in detail. The reason is that the essence of the invention is expressed on the transmitter side. As soon as the structure of the transmitter system according to the invention is specified, a receiver can be developed by the person skilled in the art without inventive intervention.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Empfängers, der zur Detektion der erfindungsgemäss übertragenen Signale geeignet ist. Das von der Empfangsantenne 14 kommende Signal wird verstärkt (Verstärker 15), auf Inphasen- und Quadraturzweig aufgeteilt, unter Verwendung der Trägerfrequenz ins Basisband heruntergemischt (cos2itfot, sin2nfot) und mit je einem Tiefpassfilter 16.1, 16.2 beruhigt. Danach werden die Signale abgetastet und mit je einem Matched Filter 17.1, 17.2, das an den Basisbandpuls g(t) angepasst ist, gefiltert. Schliesslich extrahiert ein als solcher bekannter Viterbi-Detektor 19 die übertragenen digitalen Daten aus Inphasen- und Quadratursignal unter Verwendung der in einem Kanalschätzer 18 ermittelten Stossantwort des Übertragungskanals. 5 shows a block diagram of a receiver which is suitable for the detection of the signals transmitted according to the invention. The signal coming from the receiving antenna 14 is amplified (amplifier 15), divided into in-phase and quadrature branches, mixed down into the baseband using the carrier frequency (cos2itfot, sin2nfot) and calmed down with a low-pass filter 16.1, 16.2 each. The signals are then sampled and filtered with a matched filter 17.1, 17.2, which is adapted to the baseband pulse g (t). Finally, a Viterbi detector 19 known as such extracts the transmitted digital data from the in-phase and quadrature signals using the impulse response of the transmission channel determined in a channel estimator 18.

Eine für den QAM-Empfänger geeignete Kanalschätzung ist z.B. in der veröffentlichten Patentanmeldung EP-A1 0 301 282 (Decfay Dzung) beschrieben. A channel estimate suitable for the QAM receiver is e.g. in the published patent application EP-A1 0 301 282 (Decfay Dzung).

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass durch die Erfindung ein Verfahren zur Übertragung digitaler Daten über zeit- und frequenzselektive Kanäle angegeben worden ist, das die Vorteile von Antennen Diversity ohne Inkaufnahme einer Bandbreitendehnung realisiert. In summary, it can be stated that the invention has specified a method for transmitting digital data via time- and frequency-selective channels, which realizes the advantages of antenna diversity without having to accept bandwidth expansion.

Claims (9)

PatentansprücheClaims 1. Verfahren zur Übertragung von digitalen Daten (ak) über einen zeit- und frequenzselektiven Kanal, bei welchem über mindestens zwei verschiedene Sendeantennen (1.1, 1.2, 1.3) die selben digitalen Daten (ak) zu mindestens einem Empfänger (4.1) mittels mindestens zwei modulierter Trägerschwingungen, die dieselbe Frequenz (fo) haben, übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Trägerschwingungen im Sinn der Quadratur-Amplituden-Modulation moduliert werden, wobei b) für alle Trägerschwingungen derselbe Basisbandpuls (g(t)) verwendet wird und c) die gleichen digitalen Daten (ak) mit einem für jede Trägerschwingung eigenen Coder (8.1, 8.2)1. Method for the transmission of digital data (ak) via a time and frequency selective channel, in which the same digital data (ak) to at least one receiver (4.1) by means of at least two via at least two different transmitting antennas (1.1, 1.2, 1.3) modulated carrier oscillations that have the same frequency (fo) are transmitted, characterized in that a) the carrier oscillations are modulated in the sense of quadrature amplitude modulation, wherein b) the same baseband pulse (g (t)) is used for all carrier oscillations and c) the same digital data (ak) with a separate encoder for each carrier oscillation (8.1, 8.2) derart zu Symbolen (sj,n) codiert werden, dass über verscheidene Sendeantennen unterschiedlicheare coded into symbols (sj, n) in such a way that different transmit antennas are used Symbole (Si,n) übertragen werden.Symbols (Si, n) are transmitted. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Coder (8.1, 8.2) Transversalfilter sind, deren Koeffizienten fi,p., fj,|i so gewählt sind, dass die gleichzeitig übertragenen Symbole (si.n) im Fall eines einzeln codierten Datenpulses (aj) orthogonal zueinander sind:2. The method according to claim 1, characterized in that the coders (8.1, 8.2) are transversal filters whose coefficients fi, p., Fj, | i are selected such that the symbols (si.n) transmitted simultaneously in the case of an individual encoded data pulse (aj) orthogonal to each other are: PLPL 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei modulierte Trägerschwingungen übertragen werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that exactly two modulated carrier vibrations are transmitted. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Transversalfilter genau zwei Koeffizienten fj,n, p. = 0 .. 1, aufweist und diese wie folgt gewählt sind:4. The method according to claims 2 and 3, characterized in that each transversal filter exactly two coefficients fj, n, p. = 0 .. 1, and these are selected as follows: fl ,0 = 1, fl,1 =1. f2,0 = 1, f2,1 = -1.fl, 0 = 1, fl, 1 = 1. f2.0 = 1, f2.1 = -1. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Transversalfilter genau zwei Koeffizienten fj,n, n = 0 .. 1, aufweist und diese wie folgt gewählt sind:5. The method according to claims 2 and 3, characterized in that each transversal filter has exactly two coefficients fj, n, n = 0 .. 1, and these are selected as follows: fl,0 = 1. fl,1 = 0, f2,0 = 0, f2,1 = 1.fl, 0 = 1. fl, 1 = 0, f2.0 = 0, f2.1 = 1. 6. Sendeanlage zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit mindestens zwei Sendeantennen (1.1, 1.2), mit Mittel (3.1, 3.2) für jede Sendeantenne (1.1, 1.2) zum Erzeugen einer modulierten Trägerschwingung nach dem Prinzip der Quadratur-Amplituden-Modulation unter Ver76. Transmitting system for performing the method according to one of claims 1 to 5, with at least two transmitting antennas (1.1, 1.2), with means (3.1, 3.2) for each transmitting antenna (1.1, 1.2) for generating a modulated carrier oscillation according to the principle of quadrature -Amplitude modulation under Ver7 55 1010th 1515 2020th 2525th 3030th 3535 4040 4545 5050 5555 CH 682 363 A5CH 682 363 A5 wendung eines gegebenen Basisbandpulses (g(t)) und mit einem Transversalfilter für jede Sendeantenne zum Codieren von digitalen Daten (ak) in unterschiedliche Symbole.application of a given baseband pulse (g (t)) and with a transversal filter for each transmitting antenna for coding digital data (ak) into different symbols. 7. Sendeanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantennen (1.1, 1.2) einen gegenseitigen Abstand von mehr als einer Wellenlänge der Trägerschwingung haben.7. Transmitting system according to claim 6, characterized in that the transmitting antennas (1.1, 1.2) are at a mutual distance of more than one wavelength of the carrier oscillation. 8. Sendeanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantennen (1.1, 1.2) so nahe nebeneinander sind, dass sich ihre Sendebereiche im wesentlichen überdecken.8. Transmitting system according to claim 6 or 7, characterized in that the transmitting antennas (1.1, 1.2) are so close to one another that their transmission areas essentially overlap. 9. Sendeanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantennen (1.4, 1.5) bezüglich eines Empfängers (4.1) so angeordnet sind, dass die Unterschiede in der Laufzeit zwischen den verschiedenen Sendeantennen (1.4, 1.5) und dem Empfänger (4.1) viel kleiner als eine Symboldauer (T) eines einzelnen Datenpulses (ak) sind.9. Transmitting system according to claim 6 or 7, characterized in that the transmitting antennas (1.4, 1.5) with respect to a receiver (4.1) are arranged so that the differences in the transit time between the different transmitting antennas (1.4, 1.5) and the receiver (4.1 ) are much smaller than a symbol duration (T) of a single data pulse (ak). 88th