DE19540250C1 - Pseudokohärentes Demodulationsverfahren für ein verrauschtes, differentiell moduliertes Multiträgersignal - Google Patents

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:

R_i,k=S_{i,k *}H_i,k.

Dabei sind in dem Kanalübertragungsfaktor H_i,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 R_i,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 H_i,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 R_i,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 H_i,k aus ei­ nem Vergleich von einem ersten empfangenen Symbol R_i,k mit dem zu­ geordneten Sendesymbol S_i,k näherungsweise berechnet wird, und der errechnete Kanalübertragungsfaktor H_i,k bei der Demodulation des nächsten Empfangssymbols R_i+1,k zur Korrektur des Rauschanteils ver­ wendet wird. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der komple­ xe Kanalübertragungsfaktor H_i,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 H_i,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 R_i,k zugeordnete Sendesymbol S_i,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 S_i,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 S_i,k, die als Punk­ te dargestellt sind. Jedes Sendesymbol ist durch eine von vier Amplituden A₀, A₁, A₂, A_max und einen Phasenwinkel ϕ charakterisiert. Wie die durch Kreuze dargestellten drei Beispiele zeigen, sind die empfangenen Symbole R_i,k durch komplexe Multiplikation mit einem Übertragungsfaktor H_i,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 R_i,k = S_{i,k *} H_i,k empfangen worden ist. Gemäß dem Stand der Technik muß anhand der Fachgrenzen FG entschieden werden, ob das empfange­ ne Symbol R_i,k dem Sendesymbol S_i,k entspricht.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die im Kanalübertragungsfaktor H_i,k enthaltenen Informationen hinsichtlich Phasenversatz und Am­ plitudenverzerrung zu schätzen und zur Korrektur entweder des emp­ fangenen Symbols R_i,k oder zur Korrektur der Fachgrenzen FG zu ver­ wenden, bevor anhand der Fachgrenzen eine Entscheidung getroffen wird, welchem Sendesymbol S_i,k das empfangene Symbol R_i,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 A_maxR, bekannt sind. Eine Mehrdeutigkeit um den Phasenlagendifferenzwinkel Δϕ ist dabei wegen der differentiellen Modulation der Phase unschädlich.

Bei Kenntnis von A_maxR und ϕ₀ können sämtliche Empfangssymbole R_i,k im unverrauschten Fall eindeutig rekonstruiert werden, wenn zu­ sätzlich die gegenseitigen Amplitudenverhältnisse α₀ _* A₀ = α₁ _* A₁ = . . . . = A_maxR berücksichtigt werden.

Erfindungsgemäß werden A_maxR und ϕ₀ in jedem Schritt geschätzt und an Funkkanaländerungen angepaßt. Die näherungsweise berechneten oder geschätzten Werte seien im eingeschwungenen Zustand als Â_max 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 - R_i,k auf dem zweitgrößten Ampli­ tudenring - Â_max und ₀ aus vorhergehenden Verfahrensschritten be­ kannt, so läßt sich ein Schätzwert für die wahre Größe der Ampli­ tude A₂ wie folgt angeben:

Â₂ = Â_{max *} α₂^-1.

Weiterhin wird die Phasenlage des empfangenen Symbols um den Pha­ senversatz ₀ korrigiert.

Im folgenden wird erläutert, wie der Kanalübertragungsfaktor H_i,k bzw. die ihn charakterisierenden Werte Amplitudendämpfung und Pha­ senversatz fortlaufend geschätzt werden.

Für die fortlaufend aktualisierte Schätzung wird jedes Empfangs­ symbol R_i,k in Polarkoordinaten zerlegt:

Wenn zum erstenmal ein Symbol R_i,k empfangen wird, das auf dem äu­ ßersten Amplitudenring liegend einklassifiziert wird, so wird ge­ setzt à = A_maxR, 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 R_i,k im i-ten Schritt auf S_i,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 R_i,k entweder aufgrund eines verbesserten Wertes für R_i,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 R_i,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 β_A und β_ϕ sind dabei Wichtungsfaktoren, die je­ weils <1 sind. Über die Wahl des Wichtungsfaktors läßt sich das Verfahren optimieren. Bei einem Wichtungsfaktor β_A 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 β_ϕ nahe bei Null, so geht die alte Schät­ zung _{0, alt}, alt stärker ein, während bei einem Wichtungsfaktor von β_ϕ = 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 (R_i,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 (H_i,k) des Funkkanals verzerrt sein können, und das demodu­ lierte komplexe Symbol in einem rotationssymmetrischen Orts­ diagramm möglichen diskreten Werten an Sendesymbolen (S_i,k) zugeordnet wird, indem das Ortsdiagramm in Fachgrenzen (FG) unterteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalüber­ tragungsfaktor (H_i,k) aus einem Vergleich von einem ersten empfangenen Symbol (R_i,k) mit dem zugeordneten Sendesymbol (S_i,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 (H_i,k) bei der Demodu­ lation des nächsten Empfangssymbols (R_i+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 (H_i,k) zur Phasenkorrektur verwendet wird.

3. Demodulationsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Phaseninformation des nächsten Empfangssymbols (R_i+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 (R_i+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 (H_i,k) bei der Demodulation des nachfolgenden Empfangssymbols (R_i+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 (R_i+1,k) durch komplexe Division durch den näherungsweise berechneten Über­ tragungsfaktor (H_i,k) korrigiert wird.

7. Demodulationsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der in einem Schritt ((i-1)-ter Schritt) errechnete oder geschätzte Kanalübertragungsfaktor (H_i-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 (A_maxR) verwendet wird, um einen Schätzwert (Â_max) 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 (Â_max) 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: Â_{max, neu} = β_AÂ_{max, alt} + (1-β_A)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 = . . . = Â_max

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 0β_ϕ1.

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 (Â_max) neu berechnet wird.

13. Demodulationsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß anstelle des äußersten Amplitudenrings (A_max) ein anderer definierter Amplitudenring (A_n) zur Berechnung eines Schätzwertes für den verzerrten Amplitudenring (Â_n) her­ angezogen wird, und daß Schätzungen für die verbleibenden Amplitudenringe über die Ähnlichkeitsbeziehungen (α₀A₀ = α₁A₁ = . . . = Â_max) 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 (Ã_n) auf den jeweils zugeordneten Ampli­ tudenring (A_n) 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).