DE3540722C2 - Verfahren zur automatischen Pegelregelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Pegelregelung eines in Form digitaler Abtastwerte vorliegenden Empfangssignals.

Beim herkömmlichen Empfänger wird im allgemeinen ein Integral-Regler verwirklicht, der den Mittelwert der Pegelabweichung vom Sollwert des ZF-Pegels nach dem Ausgang am Stellglied als Regelgröße nutzt. Daher erfolgt ein verzögertes Einschwingen des geregelten ZF-Pegels bei plötzlich auftretenden Pegelsprüngen. Erreichbare Werte sind dabei ca. 10 ms für ± 3 dB Pegeltoleranz und 3 kHz Bandbreite. Dies ist auch der Fall, wenn der Zeitpunkt eines möglichen Pegelsprungs bekannt ist. Die bisherige Technik benutzt die Variation der Regelzeitkonstante in Abhängigkeit von der Pegelabweichung.

Eine ähnliche Lösung für einen zumindest teilweise digitalisierten Empfänger, in dem das zu regelnde Empfangssignal in Form einer Folge von digitalen Abtastwerten vorliegt, ist beispielsweise in der DE 25 54 744 C2 beschrieben. Dort werden die digitalen Abtastwerte mit einem Regelsignal multipliziert und die Ausgangswerte der Multi­ plizierstufe werden durch Vergleich mit einem digitalen Bezugssignal über eine Rückkopplungsschleife zur Nachführung des Regelsignals be­ nutzt.

In der nachveröffentlichten EP 0 213 224 A1 ist ein Verfahren zur automatischen Verstärkungsregelung in einem Empfänger beschrieben, bei dem die Verstärkungsregelung durch Multiplikation des in Form digitaler Abtastwerte vorliegenden Empfangssignals mit einem Regel­ signal erreicht wird, zu dessen Erzeugung unter anderem Abtastwerte gemittelt werden.

Im einzelnen wird bei diesem Verfahren eine Anzahl aufeinanderfol­ gender Abtastwerte in einem Speicher, einem Filter und einem Entzer­ rer zwischengespeichert. Aus den gespeicherten Abtastwerten werden die Mittelwerte gebildet und ein entsprechender Korrekturfaktor er­ rechnet. Die bereits zwischengespeicherten Abtastwerte werden dann mit diesem Korrekturfaktor multipliziert, so daß bei diesem Verfah­ ren bereits vorher empfangene Abtastwerte mit dem aktuellen Regelsi­ gnal multipliziert werden. Dadurch können störende Einschwingzeiten der Verstärkungsregelung zwar wesentlich verringert werden, Ein­ schwingprobleme können jedoch auch bei diesem Verfahren vor allem dann auftreten, wenn das Empfangssignal nicht optimal im Zeitraster des Empfängers liegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur automatischen Pegelregelung eines in Form digitaler Abtastwerte vorliegenden Empfangssignals anzugeben, das auch bei nicht optimal im Zeitraster des Empfängers liegenden Empfangssignalen eine wesentliche Verringerung der Ein­ schwingzeit ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gegeben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demgemäß das Regelsignal nicht über eine Rückkopplungsschleife, sondern direkt aus dem Eingangssignal erzeugt und das Ausgangssi­ gnal nach dem Stellglied (Multiplizierstufe) erst ausgege­ ben, wenn der Integrationsvorgang abgeschlossen ist. Dies führt zwar zu einer Signalverzögerung entsprechend der Integrationszeit, der Einschwingvorgang nach einem starken Pegelsprung, vor allem zu Beginn einer Sendung, wird jedoch wesentlich verkürzt, so daß das vollständige Signal auf einen zur weiteren Auswertung brauchbaren Pegel ge­ bracht wird, der Signalanfang also nicht verloren geht. Die Erfindung ist besonders geeignet für häufig umgeschal­ tete Empfänger, wie Suchempfänger oder Empfänger für Frequenzsprung-Funkverbindungen. Dabei wird ausge­ gangen, daß der Pegelsprung von Kanal zu Kanal innerhalb der Dynamik-Grenzen des A/D-Wandlers (Fig. 1) bleibt.

Die Erfindung ist nachfolgend an bevorzugten Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der für die Erfindung wesentlichen Funktionsblöcke eines digitalen Empfängers;

Fig. 2 die Signalsituation beim Empfang eines Fre­ quenzsprungsignals.

In an sich bekannter Weise wird im digitalen Empfänger das Empfangssignal e(t) in einer Abtast- und Halteschaltung S/H abgetastet und die (komplexen) Abtastwerte in einem A/D-Wandler digitalisiert. Die nach Selektion im digitalen Filter F am Filterausgang zur Verfügung stehenden Werte sind im folgenden als Abtastwerte des Signals bezeichnet.

Zunächst werden N Abtastwerte auf den Speicher SP ge­ schrieben. Nach Abspeicherung des N-ten Wertes ist eine Mittelwertbildung im Prozessor PR aus diesen N Abtast­ werte-Amplituden abgeschlossen. Falls die Abtastwerte nicht im Bandpaßbereich gebildet wurden, sondern im äqui­ valenten Tiefpaßbereich, muß der Betrag berechnet werden (Betragsbildung aus Sinus- und Cosinuskanal).

Im Bandpaßbereich abgetastete Signalwerte sind bereits als Betrag vorhanden, da das Vorzeichen bei der Mittelung des Effektivwertes nicht signifikant ist:

Em mittlerer Effektivwert des Signals
N Zahl der (komplexen) Abtastwerte
A_i Betrag des i-ten (komplexen) Abtastwertes

Der Regelprozeß besteht nun darin, das zwischengespeicher­ te Signal auf einen Effektivwert zu bringen, der nahezu dem Sollwert eines geregelten Empfänger-Ausgangssignals entspricht.

Somit wird jeder Signalabtastwert mit dem Quotienten Qm aus

multipliziert und die Ausgangssignale des Multiplizierers M an den Demodulator DEM ausgegeben.

Bei Frequenzsprung-Funkverbindungen wird der Empfänger, gesteuert über ein Empfängerstartsignal in kurzen Zeitab­ ständen, umgeschaltet, so daß die Einschwingzeit der Pegel­ regelung einen nicht vernachlässigbaren Anteil an der gesamten Übertragungszeit innerhalb des Empfangsintervalls zwischen zwei Umschaltungen darstellt.

Fig. 2 zeigt die relative zeitliche Lage eines Empfangssi­ gnals bezüglich eines im Empfänger erzeugten Zeitrasters.

Der Umschaltzeitpunkt ist durch das Empfänger-Startsignal SE gegeben, das aus dem Empfangssignal des vorhergehenden Empfangs-Intervalls, beispielsweise aus der Lage von Testfolgen, die der eigentlichen Nachricht in einer Präam­ bel vorangestellt sind, zeitlich festgelegt wird. Nach einer Einstellzeit TE von im Beispiel 7 ms, nach der das Eintreffen des Signals erwartet wird, wird der Empfänger freigegeben, d. h. ab diesem Freigabezeitpunkt EF werden Abtastwerte gebildet. Die Abtastwerte aus den gleichlangen Zeitabschnitten T₁, T₂, T₃ bilden eine erste, zweite und dritte Wertegruppe mit jeweils N komplexen Abtastwerten. Dabei kann für die Zahl N beispielsweise davon ausgegangen werden, daß sich der mittlere Effektivwert eines Signals innerhalb von rund 20 Abtastperioden mit einer ausreichen­ den Genauigkeit von ± 2 dB bilden läßt. Die Zeitabschnitte T₁, T₂, T₃ sind unter Berücksichtigung der Abtastfrequenz entsprechend zu bemessen und sollen im gezeigten Bei­ spielsfall 3 ins lang sein (ein binäres Datensignal mit ca. 3 kHz Bandbreite zugrunde gelegt).

In dem in Fig. 2A skizzierten Fall liegt das Empfangssi­ gnal optimal im Zeitraster des Empfängers, so daß der erste und der zweite mittlere Effektivwert Em1 bzw. Em2 annähernd gleich sind und als gute Basis für die Ableitung des Regelsignals Q gewonnen werden können.

Der Zeitpunkt, zu dem das Signal im Empfänger erscheint, ist aber im allgemeinen nicht exakt vorhersagbar, da das Startsignal SE mit einer Unsicherheit von beispielsweise ± 0,5 ms behaftet ist und die Laufzeit der Übertragungs­ strecke für verschiedene Frequenzkanäle und auch zeitlich um beispielsweise ± 1,5 ms um eine mittlere Laufzeit schwankt. Bei dem in Fig. 2B skizzierten Fall ist angenom­ men, daß sich die beiden genannten Fehlerquellen mit ihrem maximal zu erwartenden Betrag addieren. Der Regelprozeß beginnt mit der Bildung eines ersten mittleren Effektiv­ werts Em1 während des Zeitabschnitts T₁ und eines zweiten Mittelwerts Em2 während T₂. Unmittelbar nach der Bestim­ mung von Em2 werden Em1 und Em2 verglichen. Liegt der Unterschied innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfensters von z. B. ± 3 dB, so werden die zwischengespeicherten Werte der ersten Wertegruppe mit einem aus Em1 abgeleite­ ten Regelsignal Q multipliziert und ausgegeben.

Ist, wie im Fall der Fig. 2B, der Unterschied der beiden Mittelwerte Em1 und Em2 größer als das vorgegebene Tole­ ranzfenster, so werden die zwischengespeicherten Werte der nicht ausgegeben. Aus N weiteren Werten aus dem Zeitab­ schnitt T₃ wird ein weiterer Mittelwert Em3 gebildet und nunmehr die beiden Werte Em2 und Em3 verglichen. Die Abtastwerte aus dem Zeitabschnitt T₂ bleiben zwischenge­ speichert. Erst wenn der Vergleich ergibt, daß Em2 ≈ Em3 (Abweichung ≦ 3 dB), werden die Abtastwerte aus T₁ und T₂ mit einem aus Em2 abgeleiteten Regelsignal Q multipliziert und ausgegeben. Das Regelsignal für die nach T₂ genommenen Abtastwerte kann aus Em3 oder dem Mittelwert aus Em2 und Em3 abgeleitet werden. Ergibt auch der Vergleich von Em2 und Em3 einen erheblichen Unterschied, so wird ein Fehler­ signal generiert.

Den Abschnitten T₂ bzw. T₃ können direkt oder in regelmä­ ßigen Abständen weitere, jeweils N Abtastwerte umfassende Abschnitte folgen, die zur Bildung eines neuen mittleren Effektivwerts und Ableitung eines neuen Regelsignals herangezogen werden. Der Übergang zwischen zwei ungleichen aufeinanderfolgenden Regelsignalen erfolgt nicht abrupt, sondern bevorzugterweise allmählich über mehrere Abtast­ werte.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es damit möglich, den Einschwingvorgang der Pegelregelung sehr schnell abzuschließen; im gezeigten Beispielsfall liegt nach weniger als 9 ms nach Eintreffen des Signals ein innerhalb einer Pegeltoleranz von ± 3 dB weiter auswertbares Signal vor.

Das Signal am Ausgang ist in der Amplitude von Anfang an unverzerrt. Die Auswertung kann den Signalanfang voll nutzen. Dies ist vor allem wichtig, wenn zu Beginn des Signals eine Präambel gesendet wird, die zur Signalerken­ nung, zur Bit- und Rahmensynchronisation und zur Ermitt­ lung der Übertragungseigenschaften des Übertragungswegs dienen. Wenn die Präambel nicht auswertbar ist, geht auch der Inhalt der nachfolgenden Nachricht verloren.

Claims (7)

1. Verfahren zur automatischen Pegelregelung eines in Form digitaler Abtastwerte vorliegenden Empfangssignals, insbesondere eines binären Datensignals, durch Multiplika­ tion der Abtastwerte mit einem digitalen Regelsignal, das aus dem Vergleich eines mittleren Effektivwerts mit einem Sollwert abgeleitet wird, wobei mindestens N aufeinanderfolgende Abtastwerte zwischenge­ speichert werden, der mittlere Effektivwert (Em) aus N zwischengespeicherten Abtastwerten gebildet wird und die Abtastwerte verzögert nach Ableitung des Regelsignals aus dem mittleren Effektivwert der Multiplikation unterzo­ gen und ausgegeben werden, wobei zu Beginn eines Empfangsintervalls die ersten 2 N Abtast­ werte in zwei Gruppen mit je N Abtastwerten zwischenge­ speichert werden, für jede Gruppe ein mittlerer Effek­ tivwert (Em1 bzw. Em2) gebildet wird und die beiden mittleren Effektivwerte miteinander verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Unterschied zwischen den beiden mittleren Effek­ tivwerten ein Toleranzfenster vorgegeben ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erfüllung des vorgegebenen Toleranzfensters durch die beiden mittleren Effektivwerte (Em1, Em2) aus dem ersten Mittelwert (Em1) das digitale Regelsignal abgeleitet wird und die zwischengespeicherten Abtastwerte ab der ersten Gruppe mit diesem Regelsignal multipliziert und ausgegeben werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei außerhalb des Toleranzfensters liegendem Unterschied die Abtastwerte der ersten Gruppe nicht ausgewertet und N neue Abtastwerte zwischengespeichert werden, daß aus den N neuen Abtastwerten ein dritter effektiver Mittelwert (Em3) gebildet und mit dem zweiten Mittelwert verglichen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erfüllung des Toleranzfensters durch den zweiten und den dritten Effektivwert das Regelsignal aus dem zweiten mittleren Effektivwert abgeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß fortwährend oder in regelmäßigen Abständen neue Mittelwer­ te gebildet und zu einem neuen Regelsignal verarbeitet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei aufeinanderfolgenden, unterschied­ lichen mittleren Effektivwerten das Regelsignal allmählich verändert wird.