DE19540250C1 - Pseudokohärentes Demodulationsverfahren für ein verrauschtes, differentiell moduliertes Multiträgersignal - Google Patents
Pseudokohärentes Demodulationsverfahren für ein verrauschtes, differentiell moduliertes MultiträgersignalInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Demodulationsverfahren für ein ver
rauschtes Signal, bei dem zumindest die Phase differentiell modu
liert ist und die empfangenen Empfangssymbole als komplexe Symbole
in einem rotationssymmetrischen Ortsdiagramm vorliegen, mit den
weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Digitale Modulationsverfahren werden im Zuge der Breitbandübertra
gung großer Datenmengen zunehmend wichtiger. Insbesondere bei Mul
titrägersystemen, die zueinander orthogonale Subträger verwenden,
werden phasenmodulierte Signale verwendet, sogenannte OFDM-Signa
le.
In der DE-PS 43 19 217, auf deren Offenbarung Bezug
genommen wird, ist ein Modulationsverfahren vorgestellt worden,
bei dem zusätzlich zur Phase die Amplitude moduliert wird. Dieses
Verfahren wird im folgenden als DAPSK-Signal bezeichnet.
Generell gilt für alle gattungsgemäßen digitalen Modulationsver
fahren, daß ein komplexes Sendesymbol S(i,k) generiert wird, das
nach Übertragung über den Funkkanal mit Hilfe eines bekannten
Ortsdiagramms dekodiert werden muß.
Reale Funkkanäle sind Störeinflüssen ausgesetzt, wie Dämpfung,
Mehrwegempfang etc. Das empfangene komplexe Sendesymbol R(i,k)
entspricht daher nicht identisch dem gesendeten Symbol S(i,k),
sondern ist sowohl dem Betrag nach (Amplitude) wie der Phasenlage
nach verzerrt.
Analytisch kann dieser Vorgang durch eine komplexe Multiplikation
beschrieben werden:
Ri,k=Si,k *Hi,k.
Dabei sind in dem Kanalübertragungsfaktor Hi,k sämtliche Störein
flüsse zusammengefaßt.
Insbesondere der in dem Übertragungsfaktor enthaltene Phasenver
satz macht kohärente Demodulationsverfahren aufwendig und schwie
rig, da der Phasenversatz der Trägerschwingung mit einer Trägerre
gelungsschaltung nachgeführt werden muß. Bildlich gesprochen, muß
dafür gesorgt werden, daß das dem Sendeverfahren zugrunde gelegte
Ortsdiagramm beim Empfänger unverzerrt ankommt.
In der Praxis haben sich daher differentielle Modulationsverfahren
und entsprechende differentielle Demodulationsverfahren durchge
setzt, d. h. inkohärente Strukturen. Inkohärente Strukturen liegen
generell dann vor, wenn das empfangene Signal nicht mit Hilfe ei
ner aus einer Trägerregelungsschaltung gewonnenen frequenz- und
phasenrichtigen Trägerschwingung in die komplexe Einhüllende über
führt wird.
Bei einem differentiellen Modulationsverfahren wird das jeweils zu
generierende Sendesymbol S(i,k) des i-ten Modulationsblockes aus
der Multiplikation eines komplexen Symbols B(i,k) mit dem im
(i-1)ten Modulationsblock auf dem k-ten Subträger gesendeten Sym
bol S(i-1,k) multipliziert. Der Informationsgehalt liegt also in
dem komplexen Symbol B(i,k), das bei der Demodulation wiederzuge
winnen ist.
Bei der differentiellen Demodulation wird jedes Empfangssymbol Ri,k
in Amplitude und Phase differentiell demoduliert, indem es auf das
Empfangssymbol des vorhergehenden, (i-1)ten Modulationsblockes
bezogen wird.
Hierdurch wird erreicht, daß der oben genannte Kanalübertragungs
faktor Hi,k weitgehend eliminiert werden kann, wenn man voraus
setzt, daß sich der Kanalübertragungsfaktor vom (i-1)ten Modula
tionsblock zum i-ten Modulationsblock nur unwesentlich ändert. Daß
sich der Übertragungsfaktor nahezu weghebt, wird anhand folgender
Formeln deutlich:
Trotz der differentiellen Demodulationstechnik läßt sich nicht
verhindern, daß die empfangenen komplexen Symbole Ri,k verrauscht
sind und innerhalb von vorgegebenen Entscheidungsgrenzen, soge
nannten Fachgrenzen, einem der möglichen diskreten Werte im emp
fangenen Ortsdiagramm zugeordnet werden müssen.
Der Störabstand des Nutzsignals kann daher auch bei differentiel
len Demodulationsmethoden hohen Anforderungen häufig noch nicht
genügen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge
mäßes Demodulationsverfahren hinsichtlich des Störabstandes weiter
zu verbessern.
Der Lösung der Aufgabe liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde,
daß die Verzerrung eines rotationssymmetrischen Ortsdiagramms
durch lediglich zwei Parameter beschrieben werden kann. Ausgehend
von bekannten Modulationsverfahren, die ein rotationssymmetrisches
Ortsdiagramm zugrunde legen, ist die Lösung der Aufgabe daher da
durch gekennzeichnet, daß der Kanalübertragungsfaktor Hi,k aus ei
nem Vergleich von einem ersten empfangenen Symbol Ri,k mit dem zu
geordneten Sendesymbol Si,k näherungsweise berechnet wird, und der
errechnete Kanalübertragungsfaktor Hi,k bei der Demodulation des
nächsten Empfangssymbols Ri+1,k zur Korrektur des Rauschanteils ver
wendet wird. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der komple
xe Kanalübertragungsfaktor Hi,k, dargestellt durch Amplitude und
Phase, hinsichtlich seiner Phase nicht eindeutig berechnet wird,
sondern daß lediglich der Phasenversatz bestimmt wird, d. h. der
Winkelbetrag, um den das Ortsdiagramm bis zur benachbarten defi
nierten Phasenlage verdreht ist. Es wird mit anderen Worten in
Kauf genommen, daß der genaue Betrag der Phase des Kanalübertra
gungsfaktors Hi,k nicht bekannt ist, sondern daß der näherungsweise
errechnete Phasenversatz um Beträge mehrdeutig ist, die jeweils
einem ganzzahligen Vielfachen des Phasenlagen-Differenzwinkels Δϕ
zwischen zwei Phasenlagen des rotationssymmetrischen Ortsdiagramms
entsprechen. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde,
daß diese Mehrdeutigkeit unschädlich ist, wenn das gesendete Si
gnal hinsichtlich seiner Phase differentiell moduliert ist, und im
Empfänger differentiell demoduliert wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird einerseits eine Ent
scheidungsrückkopplung geschaffen, da das einem empfangenen Symbol
Ri,k zugeordnete Sendesymbol Si,k bereits das Ergebnis einer Ent
scheidung ist, d. h. nicht mit Sicherheit bekannt ist. Andererseits
wird eine näherungsweise Ermittlung der Kanalverzerrung ermög
licht, ohne daß definitiv bekannte Sendesymbole Si,k, sogenannte
Prüfsymbole, übermittelt werden müssen, was ersichtlicherweise zu
Zeitverlusten führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Verwendung bei der
Demodulation von Signalen, bei denen zumindest die Phase differen
tiell moduliert ist. Die Amplitude kann differentiell oder absolut
kodiert sein.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dar
bestellten Ausführungsbeispieles beschrieben.
In der Zeichnung zeigt die einzige Figur das rotationssymmetrische
Ortsdiagramm einer differentiellen Amplituden-Phasen-Modulation
(DAPSK) mit 64 Zuständen.
Die Diskriminierung der einzelnen Empfangssymbole erfolgt über 64
verschiedene Phasen-Amplituden-Zustände mit vier unterschiedlichen
Amplituden und 16 unterschiedlichen Phasenlagen.
Zum besseren Verständnis wird empfohlen, die bereits erwähnte
DE-PS 43 19 217 C2 heranzuziehen, dort Fig. 3 nebst Beschreibung.
Das in Fig. 1 mit durchgezogenen Linien dargestellte Ortsdiagramm
entspricht dem senderseitigen Ortsdiagramm und ermöglicht die Un
terscheidung von 64 verschiedenen Sendesymbolen Si,k, die als Punk
te dargestellt sind. Jedes Sendesymbol ist durch eine von vier
Amplituden A₀, A₁, A₂, Amax und einen Phasenwinkel ϕ charakterisiert.
Wie die durch Kreuze dargestellten drei Beispiele zeigen, sind die
empfangenen Symbole Ri,k durch komplexe Multiplikation mit einem
Übertragungsfaktor Hi,k sowohl hinsichtlich der Phasenlage wie hin
sichtlich der Amplitude verschoben. Setzt man voraus, daß die Sen
desymbole hinsichtlich ihrer Phasenlage differentiell modulierte
Informationen enthalten, so ist für eine eindeutige Rekonstruktion
nur die Kenntnis der Amplitudendämpfung und des Phasenversatzes ϕ₀
wichtig. Eine zusätzliche "Verdrehung" des Ortsdiagramms um ganz
zahlige Vielfache des Phasendifferenzwinkels Δϕ ist hingegen un
schädlich.
Es soll im folgenden angenommen werden, daß das auf dem zweitgröß
ten Amplitudenring A₂ im ersten Quadranten liegende Symbol
Ri,k = Si,k * Hi,k empfangen worden ist. Gemäß dem Stand der Technik
muß anhand der Fachgrenzen FG entschieden werden, ob das empfange
ne Symbol Ri,k dem Sendesymbol Si,k entspricht.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die im Kanalübertragungsfaktor
Hi,k enthaltenen Informationen hinsichtlich Phasenversatz und Am
plitudenverzerrung zu schätzen und zur Korrektur entweder des emp
fangenen Symbols Ri,k oder zur Korrektur der Fachgrenzen FG zu ver
wenden, bevor anhand der Fachgrenzen eine Entscheidung getroffen
wird, welchem Sendesymbol Si,k das empfangene Symbol Ri,k zuzuordnen
ist.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß sich das
rotationssymmetrische Ortsdiagramm vollständig in das empfangene,
verzerrte Ortsdiagramm überführen läßt, wenn der in Fig. 1 mit ϕ₀
bezeichnete Phasenversatz und eine Amplitude, vorzugsweise die
größte Amplitude AmaxR, bekannt sind. Eine Mehrdeutigkeit um den
Phasenlagendifferenzwinkel Δϕ ist dabei wegen der differentiellen
Modulation der Phase unschädlich.
Bei Kenntnis von AmaxR und ϕ₀ können sämtliche Empfangssymbole Ri,k
im unverrauschten Fall eindeutig rekonstruiert werden, wenn zu
sätzlich die gegenseitigen Amplitudenverhältnisse
α₀ * A₀ = α₁ * A₁ = . . . . = AmaxR berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß werden AmaxR und ϕ₀ in jedem Schritt geschätzt und
an Funkkanaländerungen angepaßt. Die näherungsweise berechneten
oder geschätzten Werte seien im eingeschwungenen Zustand als Âmax
und ₀ bezeichnet. Im bis jetzt behandelten Beispiel, d. h. im i-ten
Schritt, sei diese Schätzung bereits erfolgt. Sind beim Empfang des
beispielhaft behandelten Symbols - Ri,k auf dem zweitgrößten Ampli
tudenring - Âmax und ₀ aus vorhergehenden Verfahrensschritten be
kannt, so läßt sich ein Schätzwert für die wahre Größe der Ampli
tude A₂ wie folgt angeben:
Â₂ = Âmax * α₂-1.
Weiterhin wird die Phasenlage des empfangenen Symbols um den Pha
senversatz ₀ korrigiert.
Im folgenden wird erläutert, wie der Kanalübertragungsfaktor Hi,k
bzw. die ihn charakterisierenden Werte Amplitudendämpfung und Pha
senversatz fortlaufend geschätzt werden.
Für die fortlaufend aktualisierte Schätzung wird jedes Empfangs
symbol Ri,k in Polarkoordinaten zerlegt:
Wenn zum erstenmal ein Symbol Ri,k empfangen wird, das auf dem äu
ßersten Amplitudenring liegend einklassifiziert wird, so wird ge
setzt à = AmaxR, vgl. Fig. 1. Wie oben beschrieben, lassen sich
Schätzwerte für die drei anderen Amplitudenringe über die geome
trischen Ähnlichkeitsfaktoren herstellen.
Weiterhin wird der Phasenversatz ϕ₀ nach folgender Formel ge
schätzt:
Nimmt man an, daß diese Schätzung im (i-1)-ten Schritt durchge
führt worden ist, kann mit den so gewonnenen Werten das in Fig. 1
im ersten Quadranten auf dem dritten Amplitudenring (A₂) ge
zeichnete empfangene Empfangssymbol Ri,k im i-ten Schritt auf Si,k
umgerechnet werden, oder aber die Fachgrenzen FG können zu Fach
grenzen FG aktualisiert werden.
Beides entspricht einer Transformation des Koordinatensystems des
senderseitigen Ortsdiagramms zu dem empfängerseitigen Ortsdia
gramm.
Auf diese Weise erfolgt die Einordnung des empfangenen Symbols Ri,k
entweder aufgrund eines verbesserten Wertes für Ri,k oder aber auf
grund aktualisierter Fachgrenzen, was zu einer Verbesserung des
Störabstandes führt.
Wie unmittelbar einsichtig ist, kann eine Aktualisierung der
Schätzwerte für aktualisierte Fachgrenzen in jedem Schritt erfol
gen. Erfindungsgemäß wird jedoch vorgeschlagen, die Schätzwerte
jedesmal dann neu zu berechnen, wenn ein empfangenes Symbol Ri,k
als auf dem äußersten Amplitudenring liegend einklassifiziert
wird. Dabei können dann die aktualisierten Schätzwerte für die
maximal empfangene Amplitude und den Phasenversatz nach folgenden
rekursiven Formeln aktualisiert werden:
Die Koeffizienten βA und βϕ sind dabei Wichtungsfaktoren, die je
weils <1 sind. Über die Wahl des Wichtungsfaktors läßt sich das
Verfahren optimieren. Bei einem Wichtungsfaktor βA in der Nähe von
1 wird der alte Schätzwert für die Amplitude jeweils stärker in
den neuen Schätzwert eingehen, während bei einem Wichtungsfaktor
nahe 0 die jeweils neue Amplitude stärker eingeht.
Ist der Wichtungsfaktor βϕ nahe bei Null, so geht die alte Schät
zung 0, alt, alt stärker ein, während bei einem Wichtungsfaktor von
βϕ = 1 die geschätzte Änderung des Phasenversatzes vollständig
additiv übernommen wird.
Durch die beschriebene Vorgehensweise wird eine Entscheidungsrück
kopplung geschaffen, da die Entscheidung in einem ersten Schritt
hinsichtlich der Klassenzugehörigkeit eines Empfangssymbols im
nachfolgenden Schritt weiter verwendet wird. Dadurch, daß die ab
solute Lage des Koordinatensystems des Ortsdiagramms näherungswei
se korrigiert wird, erhält das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ver
fahren einen pseudo- oder quasi-kohärenten Charakter.
Gleichwohl sind die bei einem echt kohärent arbeitenden Demodula
tionsverfahren aufwendigen Vorrichtungen zur phasengenauen Rege
lung des Trägersignals entbehrlich, so daß einfache Empfänger
strukturen möglich werden. Bei Versuchen wurde gefunden, daß bei
der aus der DE-PS 43 19 217 C2 bekannten Modulationsform DAPSK der
Rauschzustand um zirka 2 dB verbessert war.
Claims (16)
1. Demodulationsverfahren für ein verrauschtes Signal, bei dem
zumindest die Phase differentiell moduliert ist und die emp
fangenen Empfangssymbole (Ri,k) als komplexe Symbole vorliegen
und durch Bezug auf das vorhergehende Empfangssymbol dessel
ben Kanals demoduliert werden, wobei Amplitude und/oder Pha
senlage der Empfangssymbole durch einen Übertragungsfaktor
(Hi,k) des Funkkanals verzerrt sein können, und das demodu
lierte komplexe Symbol in einem rotationssymmetrischen Orts
diagramm möglichen diskreten Werten an Sendesymbolen (Si,k)
zugeordnet wird, indem das Ortsdiagramm in Fachgrenzen (FG)
unterteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalüber
tragungsfaktor (Hi,k) aus einem Vergleich von einem ersten
empfangenen Symbol (Ri,k) mit dem zugeordneten Sendesymbol
(Si,k) nach Amplitude und Phase näherungsweise berechnet wird,
wobei der näherungsweise errechnete Phasenversatz um Beträge
mehrdeutig ist, die jeweils einem ganzzahligen Vielfachen des
Phasenlagen-Differenzwinkels (Δϕ) zwischen zwei Phasenlagen
des rotationssymmetrischen Ortsdiagramms entsprechen und daß
der errechnete Kanalübertragungsfaktor (Hi,k) bei der Demodu
lation des nächsten Empfangssymbols (Ri+1,k) zur Korrektur des
Rauschanteils verwendet wird.
2. Demodulationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß ausgehend von der inkohärenten Demodulation von
DPSK-Signalen der Phasenversatz (ϕ₀) des Kanalübertragungsfak
tors (Hi,k) zur Phasenkorrektur verwendet wird.
3. Demodulationsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Phaseninformation des nächsten Empfangssymbols
(Ri+1,k) um den Phasenversatz (ϕ₀) korrigiert wird.
4. Demodulationsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Fachgrenzen (FG) für die Demodulation des
nächstfolgenden Empfangssymbols (Ri+1,k) durch eine Koordina
tentransformation des Ortsdiagramms um den Phasenversatz (ϕ₀)
neu bestimmt (FG) werden.
5. Demodulationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß ausgehend von einer inkohärenten Demodulation von
DAPSK-Signalen der näherungsweise errechnete Kanalübertra
gungsfaktor (Hi,k) bei der Demodulation des nachfolgenden
Empfangssymbols (Ri+1,k) zur Korrektur des Phasenversatzes (ϕ₀)
und der Amplitudenverzerrung (Ã) verwendet wird.
6. Demodulationsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß das nächst empfangene Empfangssymbol (Ri+1,k) durch
komplexe Division durch den näherungsweise berechneten Über
tragungsfaktor (Hi,k) korrigiert wird.
7. Demodulationsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß der in einem Schritt ((i-1)-ter Schritt) errechnete
oder geschätzte Kanalübertragungsfaktor (Hi-1,k) in einem fol
genden Schritt (i-ter Schritt) dazu verwendet wird, die Fach
grenzen (FG) durch eine Koordinatentransformation des Orts
diagramms neu zu bestimmen.
8. Demodulationsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß zur rechnerischen Realisierung der Koordinatentrans
formation des Ortsdiagramms die maximal empfangene Amplitude
(AmaxR) verwendet wird, um einen Schätzwert (Âmax) für die größ
te Amplitude des Ortsdiagramms zu bestimmen.
9. Demodulationsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich
net, daß der verwendete Schätzwert für die größte empfangene
Amplitude (Âmax) jedesmal dann aktualisiert wird, wenn ein
empfangener Amplitudenwert (Ã) dem äußersten Amplitudenring
des Ortsdiagramms zugeordnet wird und ein neuer Schätzwert
rekursiv nach folgender Formel berechnet wird:
Âmax, neu = βAÂmax, alt + (1-βA)Ã
10. Demodulationsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß Schätzwerte für die anderen Amplitudenringe aus den
bekannten, gegenseitigen im Ortsdiagramm des Senders vorlie
genden, Amplitudenverhältnissen nach folgender Formel berech
net werden:
α₀Â₀ = α₁Â₁ = . . . = Âmax
11. Demodulationsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß der geschätzte oder näherungsweise berechnete
Wert für den Phasenversatz (ϕ₀) rekursiv nach folgender Formel
berechnet wird:
mit 0βϕ1.
12. Demodulationsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß der Schätzwert für den Phasenversatz (ϕ₀) jedesmal
dann neu berechnet wird, wenn auch der Schätzwert für den
Amplitudenring (Âmax) neu berechnet wird.
13. Demodulationsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß anstelle des äußersten Amplitudenrings (Amax)
ein anderer definierter Amplitudenring (An) zur Berechnung
eines Schätzwertes für den verzerrten Amplitudenring (Ân) her
angezogen wird, und daß Schätzungen für die verbleibenden
Amplitudenringe über die Ähnlichkeitsbeziehungen (α₀A₀ = α₁A₁ =
. . . = Âmax) berechnet werden.
14. Demodulationsverfahren nach Anspruch 8 und 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schätzwerte für die verzerrten Ampli
tuden in jedem Schritt aktualisiert werden, wobei die jeweils
empfangene Amplitude (Ãn) auf den jeweils zugeordneten Ampli
tudenring (An) bezogen wird.
15. Demodulationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß es subträgerspezifisch im
Rahmen eines Multiträgersystems verwendet wird.
16. Demodulationsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich
net, daß das Multiträgersystem zueinander ortogonale Subträ
ger verwendet (OFDM-Konzept).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1995140250 DE19540250C1 (de) | 1995-10-28 | 1995-10-28 | Pseudokohärentes Demodulationsverfahren für ein verrauschtes, differentiell moduliertes Multiträgersignal |
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DE19540250C1 true DE19540250C1 (de) | 1997-02-20 |
Family
ID=7776071
Family Applications (1)
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