DE4132738A1

DE4132738A1 - Digitales nachrichtenuebertragungssystem

Info

Publication number: DE4132738A1
Application number: DE19914132738
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Reiner
Original assignee: AEG Mobile Communication GmbH
Current assignee: AEG Mobile Communication GmbH
Priority date: 1991-10-02
Filing date: 1991-10-02
Publication date: 1993-04-08

Description

Die Erfindung betrifft ein digitales Nachrichtenübertra gungssystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ange gebenen Art.

Bei digitalen Nachrichtenübertragungsverfahren werden die Nachrichten als Folge von reellen oder komplexen Symbol werten codiert. Im folgenden sind komplexe Größen nicht gesondert gekennzeichnet. Die auftretenden Werte können sowohl reell als auch komplexwertig sein. Für die üblichen digitalen linearen Modulationsverfahren (z. B. Phase Shift Keying, PSK, Minimum Shift Keying USK, etc.) und einen li nearen Übertragungskanal kann das Empfangssignal y (t) be kannterweise durch Faltung einer Kanalimpulsantwort p (t,τ) mit der gesendeten Symbolfolge a₁ beschrieben werden als

wobei δ das Dirac-Funktionssymbol und W die Symboldauer ist.

Die Kanalimpulsantwort gibt sowohl die Eigenschaften der Modulation wie des Funkkanales wieder (Mehrwegeausbrei tung). Sie beschreibt die Antwort der Übertragungsstrecke zum Zeitpunkt t auf dem Dirac-Stoß als Eingangssignal in Abhängigkeit der Verzögerung τ. Es wird angenommen, daß das Empfangssignal bandbegrenzt ist und daher abgetastet werden kann. Die Abtastrate f_a soll n mal die Symbolrate betragen. Das abgetastete Empfangssignal kann dann durch die diskrete Faltung der Symbole mit der abgetasteten Ka nalimpulsantwort beschrieben werden:

k = 0, . . ., n-1

Y _ni+k sind die empfangenen komplexen Abtastwerte, p_t,n1+k ist die Kanalimpulsantwort zur Zeit t in Abhängigkeit der Verzögerung τ = (nl+k)/f_a und die a_i sind die gesendeten komplexen (z. B. 4 oder 8PSK) oder reellen Symbole (z. B. 2PSK oder MSK).

Bei bekannter Kanalimpulsantwort p kann die gesendete Sym bolfolge aus dem Empfangssignal, z. B. mit Hilfe eines Ka nal-Matched-Filters rekonstruiert werden. Die Kanalim pulsantwort ist aber a priori unbekannt. Durch Übertragung von Trainingssequenzen, z. B. sogenannten Pseudo-Rausch- Folgen mit empfängerseitig bekannter Symbolfolge kann in einem ersten Schritt die Kanalimpulsantwort ermittelt und danach unter Zugrundelegung der ermittelten Kanalim pulsantwort im Demodulator die Sendefolge rekonstruiert werden.

Im allgemeinen Fall ist die Kanalimpulsantwort aber auch noch zeitveränderlich, z. B. infolge von Bewegungen des Senders und/oder Empfängers, so daß die mit Hilfe einer Trainingssequenz ermittelte Kanalimpulsantwort nur näherungsweise für die übertragenen Nachrichten gilt.

Wird die Kanalimpulsantwort in einem bestimmten Bereich in der Umgebung einer Trainingssequenz als konstant angenom men, so ergibt sich je nach Veränderung der Kanalim pulsantwort und zeitlichem Abstand der Nachrichtensymbole von der Trainingssequenz ein u. U. unzulässig hohe Symbol fehlerrate bei der Demodulation.

Um die Zeitveränderung der Kanalimpulsantwort zu berück sichtigen kann diese kontinuierlich nachgeführt werden. Hierzu wird ausgehend von einer mit Hilfe einer Trainings sequenz ermittelten Kanalimpulsantwort ein unbekanntes Nachrichtensymbol geschätzt und dann wird mit Hilfe dieses Symbols (Entscheidungsrückführung) eine neue Kanalimpulsantwort geschätzt usw. Dies kann z. B. mit Hilfe eines Kalmanfilters erfolgen. Solche Verfahren mit Ent scheidungsrückführung reagieren im allgemeinen sehr emp findlich auf Symbolfehler, d. h. falsch geschätzte Symbole. Bei langsamer Zeitveränderung und hohen Störpegeln zeigen diese Verfahren zudem eine deutliche Degradation der Emp findlichkeit gegenüber einem einfachen Empfänger mit in der Umgebung einer Trainingssequenz als konstant ange nommener Kanalimpulsantwort.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein digitales Nachrichtenübertragungssystem anzugeben, das bei unterschiedlicher, insbesondere auch wechselnder zeitli cher Variation der Kanalimpulsantwort eine zuverlässige Demodulation der Empfangssignale ermöglicht.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung ermöglicht eine geringe Symbolfehlerrate auch bei hoher Frequenz und schneller zeitlicher Variation der Kanaleigenschaften, z. B. durch hohe Geschwindigkeit von Sender und/oder Empfänger in Systemen mit mobilen Teilnehmern. Dies gilt sowohl für die Restfehlerrate (Sym bolfehler ohne sonstige Störungen) als auch für die Lei stungsfähigkeit des Empfängers bei Störungen (z. B. Rau schen oder Gleichkanalstörungen). Auch eine Entzerrung der Empfangssignale bei Intersymbolinterferenz ist mit bekann ten Mitteln (z. B. Viterbi-Entzerrer) problemlos möglich.

Die Bildung von Zeitfunktionen aus mehreren Einzelwerten ist mit geringem Aufwand möglich und bietet eine Grundlage zur Ableitung einer zu einem beliebigen Zeitpunkt gültigen Kanalimpulsantwort. Die erforderliche Zwischenspeicherung von Abtastwerten und Zwischenwerten ist offensichtlich und dem Fachmann geläufig, so daß darauf nicht näher eingegan gen zu werden braucht.

Ein bevorzugtes Beispiel nutzt die Erkenntnis aus, daß die zeitliche Veränderung der Kanalimpulsantwort auch bei re lativ schneller Änderung, z. B. durch hohe Geschwindigkeit von Sender und/oder Empfänger wesentlich schmalbandiger ist als die Signalbandbreite, und gibt einen bandbegrenz ten nichtlinearen Funktionstyp in Form einer hierfür be sonders geeigneten Funktionssumme von (sinx)/x-Funktionen mit Summengewichtsfaktoren als freien Parametern vor. Die Bestimmung der Gewichtsfaktoren kann dabei besonders ein fach als Lösung eines linearen Gleichungssystems gestaltet werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Zeitabschnitteinteilung eines Signalblocks,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines digitalen Demodulators.

Zugrunde gelegt wird ein lineares digitales Modulations verfahren und ein linearer analoger Empfänger, dessen Emp fangssignale mit dem n-fachen der Symbolrate abgetastet werden. Die Bandbegrenzung der Zeitfunktion der Kanalim pulsantwort, also deren schnellste zu berücksichtigende zeitliche Variation sei bekannt, z. B. über die maximale Geschwindigkeit der Teilnehmer. Die Bandbreite der Zeitfunktion, die auch als maximale Dopplerfrequenz des Empfangssignals betrachtet werden kann, sei wesentlich kleiner als die Signalbandbreite.

Die übertragenen Daten seien beispielsweise in Zeitschlit zen eines TDMA-Übertragungssystems gruppiert mit einer in der Mitte des Zeitschlitzes übertragenen Trainingssequenz sowie vor und nach dieser übertragenen Nachrichtensymbolen (Fig. 1).

Die Kanalimpulsantwort kann im Bereich der Trainingsse quenz als konstant angenommen und in an sich bekannter Weise, z. B. durch Korrelation des Empfangssignals mit der empfängerseitig bekannten Symbolfolge der Trainingssequenz ermittelt werden. Mit der so ermittelten Kanalimpulsant wort, die näherungsweise auch noch in der Umgebung der Trainingssequenz gilt, kann in dieser Umgebung, z. B. mit Hilfe eines Kanal-Matched-Filters in einem Vorab-Demodula tions-Schritt eine Symbolschätzung vorgenommen werden. Durch eine Harddecision des Ausgangs des Kanal-Matched- Filters lassen sich die Symbole in der Umgebung der Trai ningssequenz rekonstruieren.

Die zum Zeitpunkt der Trainingssequenz ermittelte Kana limpulsantwort liegt als Folge von einzelnen i.a. komple xen Abtastwerten an diskreten Stützstellen der Verzöge rungsvariablen τ = (nl + k)/ f_avor.

Durch die angenommene Bandbegrenzung der Zeitvariation der Kanalimpulsantwort kann für jeden Stützstellenwert (nl+k) auf der Verzögerungsachse der Kanalimpulsantwort eine bandbegrenzte Zeitfunktion P_t,nl+k zugrunde gelegt werden, die als eine Summe von Einzelfunktionen des Typs si = sin(x)/x dargestellt werden kann, wobei die Zeitabhängig keit durch x als Zeitfunktion x(t) gegeben ist und

Dabei ist T die bei der angenommenen Bandbegrenzung nach dem Abtasttheorem maximal zulässige Abtastperiode für die Zeitfunktionen P_t,nl+k und der Summenindex i läuft von -∞ bis + ∞. Mit P_i,nl+k sind die Summengewichtsfaktoren der einzelnen Summenglieder bezeichnet. Die Funktionssumme mit unendlich vielen Summengliedern kann im Realfall, für be traglich große i durch eine Sinusfunktion dividiert durch eine Konstante sehr gut angenähert werden, so daß sich die Anzahl der Summenglieder auf 2m+1 reduziert und die Zeit funktionen darstellbar sind als

mit

Insbesondere bei Beschränkung auf einen Bereich zwischen t = -0,5 T und t = +0,5 T kann m = 1 als ausreichende Näherung angenommen werden und man erhält eine Summe mit nur drei Gliedern. Unter Umständen ist der Gewichtsfaktor des sin-Funktions-Summengliedes auch noch vernachlässig bar, so daß lediglich zwei Summenglieder verbleiben.

Bei 2m + 1 Summengliedern werden nach der Vorabdemodula tion unter Heranziehung der in der Umgebung der Trainings sequenz rekonstruierten Nachrichtensymbole zeitlich vor und nach der Trainingssequenz insgesamt 2m Bereiche defi niert, deren Symbole bekannt sind. Diese Bereiche werden im folgenden Ersatzpräambeln genannt. Mit Hilfe der be kannten Symbole wird nun an diesen Stellen erneut die Ka nalimpulsantwort geschätzt. Es gibt nun 2m+1 Zeitpunkte t an denen für alle Verzögerungen des Funkkanales die Kana limpulsantwort P_t,nl+k bekannt ist. Damit lassen sich mit Hilfe eines linearen Gleichungssystemes die Koeffizienten der obigen vereinfachten Summe von si Funktionen berechnen (P _i,nl+k,i = 1 -m,..., und P _∞ _,nl+k). Es muß also für jede Verzögerung nl+k des Funkkanales getrennt ein lineares Gleichungssystem mit 2m+1 Variablen gelöst werden. Falls das Glied P_∞ _,nl+k vernachlässigt wird, ist die Anzahl der Variablen und der benötigten Gleichungen 2m. Mit der obi gen Näherung für die Berechnung von P_t,nl+k können nun alle Abtastwerte der Kanalimpulsantwort zu allen Zeitpunk ten zwischen t= -0,5T und t = 0,5T berechnet werden.

Die endgültige Demodulation kann nun mit Hilfe eines digi talen Matched Filters (an die gemessene Kanalimpulsantwort angepaßt) erfolgen. Hierbei kann zu jedem Zeitpunkt die ex akt berechnete Kanalimpulsantwort verwendet werden. Es ist aber auch möglich die Kanalimpulsantwort abschnittsweise als konstant zu betrachten und entsprechend zu berechnen. Zur Korrektur der Intersymbolinterferenz können bekannte Standardverfahren angewendet werden (z. B. Viterbi-Entzer rer). Die Autokorrelationsfunktion der Kanalimpulsantwort muß hierzu zu jedem Zeitpunkt oder abschnittsweise berech net werden.

Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines vollständigen Demo dulators, wobei Speicherglieder nicht mit eingezeichnet sind. Aus dem Eingangssignal y_i wird mit Hilfe der Trai ningssequenz eine Kanalimpulsantwort p(to) geschätzt, die dann zur Vorabdemodulation der Signale in einem Umgebungs bereich der Trainingssequenz mit Rekonstruktion von Nach richtensymbolen a_v dient. Die Nachrichtensymbole a_v aus der Vorabdemodulation werden zur Bildung von Ersatzpräam beln herangezogen, mit deren Hilfe weitere Kanalimpulsant worten zu Meßzeitpunkten t′ geschätzt werden. Die mehreren Kanalimpulsantworten werden zur Berechnung des zeitlichen Verlaufs der Kanalimpulsantwort in der beschriebenen Weise verknüpft und so eine für beliebige Zeitpunkte t und Ver zögerungen τ gültige Kanalimpulsantwort beschrieben, mit deren Hilfe die endgültige Demodulation zur Rekonstruktion der Nachrichtensymbole innerhalb des gesamten Zeitschlit zes durchgeführt wird.

Wird die Kanalimpulsantwort nur in einem kleinen Bereich um t = 0 benötigt (z. B. bei Zeitschlitzen die nur ca. 0,5 T lang sind) können die si Funktionen im Falle m = 1 in der Summe für die Kanalimpulsantwort durch Geraden appro ximiert werden:

p _t,nl+k = p _0,nl+k(si(0,5π) - 4t/(πT)) + p _1,nl+k(si(0,5π) + 4t/(πT)) + p _∞ _,nl+k

mit

Es ergibt sich nun die folgende Gleichung:

p _t,nl+k = p _I,nl+kt/T + p _II,nl+k

mit

p _I,nl+k = (4/π)(p _1,nl+k - p _0,nl+k)

und

p _II,nl+k = si(0,5π)(p _1,nl+k + p _0,nl+k) + p _∞ _t,nl+k

P _I,nl+k und P_II,nl+k können nun jeweils aus zwei mit Hilfe von Ersatzpräambeln gemessenen Abtastwerten berechnet wer den. Danach kann die Kanalimpulsantwort für jeden beliebi gen anderen Zeitpunkt nach obiger Gleichung berechnet wer den. Liegen mehr als zwei verschiedene mit Ersatzpräambel gemessene Stützstellen der Kanalimpulsantwort vor, so kön nen die beiden Koeffizienten der obigen Gleichung auch z. B. mit dem Prinzip des kleinsten quadratischen Abstandes berechnet werden. Ist die Qualität (Signal Rausch Verhält nis) der verschiedenen gemessenen Kanalimpulsantworten un terschiedlich, so kann dies bei der Interpolation berück sichtigt werden und die Meßwerte der Kanalimpulsantwort können unterschiedlich stark gewichtet werden. Ist zum Beispiel in der obigen Geradengleichung P _II,nl+k durch die Messung der Kanalimpulsantwort mit der Trainingssequenz ge geben, kann die Steigung P _I,nl+k mit Hilfe der Kanalim pulsantwort an der Stelle einer Ersatzpräambel bestimmt werden. Bei geringer Qualität dieser Messung kann dann die Steigung P _I,nl+k entsprechend verkleinert und damit der Einfluß der entsprechenden Messung mit geringer Qualität verringert werden.

Die Vorabdemodulation kann, insbesondere wenn der Bereich in dem demoduliert wird relativ lang ist, eine große Feh lerrate aufweisen. In diesem Falle ist auch die Schätzung der Kanalimpulsantwort mit Hilfe der Ersatzpräambeln sehr ungenau. Es besteht dann die Möglichkeit, die Vorabdemodu lation ein oder mehrfach zu wiederholen und jeweils die Kanalimpulsantwort neu zu berechnen. Die Lage der Ersatz präambeln kann dabei jeweils unterschiedlich gewählt wer den. Es ist z. B. sinnvoll, die erste Vorabdemodulation nur in einem Bereich dicht an der Trainingssequenz durchzufüh ren und die Lage der Ersatzpräambeln entsprechend zu defi nieren. Im nächsten Schritt können die Ersatzpräambeln dann von der Trainingssequenz weiter entfernt liegen, da nun bereits Information über den zeitlichen Verlauf der Kanalimpulsantwort vorliegt.

Im folgenden werden einige Simulationsergebnisse als Bei spiel für einen Empfänger nach dem erfindungsgemäßen Sy stem gegeben. Es wird ein binäres digitales lineares Modu lationsverfahren und ein TDMA System vorausgesetzt. Die Zeitschlitzlänge beträgt ca. 0,5ms und die Trägerfrequenz beträgt 1800 MHz. In der Mitte eines jeden Zeitschlitzes befindet sich eine Trainingssequenz. Die si Funktionen sind entsprechend obiger Beschreibung linearisiert und es werden drei Vorabdemodulationen hintereinandergeschaltet. Zum Vergleich werden Ergebnisse für einen konventionellen Empfänger dargestellt. Als Ausbreitungsmodell wird das so genannte "Typical Urban" Profil nach dem COST 207 Spezifi kationen verwendet. Dieses Profil ist im GSM System eines der Referenzprofile zur Spezifikation der erlaubten Bit fehlerraten. Angegeben wird im folgenden die Bitfehler wahrscheinlichkeit des Demodulators bei Empfang eines Si gnales mit dem obigen Mehrwegeprofil in Abhängigkeit des Signal-Rausch-Verhältnisses E_b/N_o:

Die Verbesserung durch die Erfindung ist deutlich zu se hen.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in TDMA-Systemen mit schnell bewegten Teilnehmern, sie ist aber auch in Sy stemen mit kontinuierlicher Übertragung mit zwischenge schaltetem Trainingssequenzen oder in Systemen mit gerin ger Geschwindigkeit der Teilnehmer in gleicher Weise ge eignet.

Claims

1. Digitales Nachrichtenübertragungssystem, bei welchem zusätzlich zu den Nachrichten eine Trainingssequenz mit empfängerseitig vorbekannter Symbolfolge übertragen und mit Hilfe der empfangenen Trainingssequenz eine Kanalim pulsantwort ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu mehreren verschiedenen Meßzeitpunkten jeweils eine Kana limpulsantwort ermittelt wird, wobei diese Kanalimpulsant worten jeweils als eine Folge von Werten an diskreten Stützstellen vorliegen, daß zu jeder Stützstelle aus den Werten der zu den verschiedenen Meßzeitpunkten ermittelten Kanalimpulsantworten eine Zeitfunktion gebildet wird und daß aus der Gesamtheit der so gebildeten Zeitfunktionen zu jedem Zeitpunkt innerhalb eines begrenzten Zeitintervalls eine zu diesem Zeitpunkt gültige Kanalimpulsantwort ab leitbar ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bildung der Zeitfunktionen eine Funktion mit einem oder mehreren freien Parametern zugrunde gelegt ist und die Parameter mittels der zu den verschiedenen Meßzeit punkten ermittelten Kanalimpulsantworten festgelegt wer den.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß für die Zeitfunktionen bandbegrenzte Funktionen gewählt werden.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zeitfunktionen der Funktionstyp si = (sinx)/x ge wählt wird, wobei wiederum x eine Zeitfunktion x(t) ist.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zeitfunktionen Summenfunktionen aus mehreren Einzelfunktionen si mit jeweils einem Gewichtsfaktor als freien Parameter sind.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Einzelfunktionen si gleich der Anzahl der verknüpften Kanalimpulsantworten ist.

7. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zeitfunktionen ein zeitlinearer Verlauf gewählt wird.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nur zwei Kanalimpulsantworten verknüpft werden.

9. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehr als zwei Kanalimpulsantworten verknüpft wer den und die zeitlinearen Funktionsverläufe durch Fehler minimierung angepaßt werden.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kanalimpulsantworten bei der Fehlerminimie rung unterschiedlich gewichtet werden.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß eine der zur Bildung der Zeit funktionen verknüpften Kanalimpulsantworten mit Hilfe der empfangenen Trainingssequenz und weitere Kanalimpulsant worten mit Hilfe von Symbolfolgen, die rekonstruierte Nachrichtensymbole enthalten, ermittelt werden.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Symbolfolgen beidseitig symmetrisch zu der Trainingssequenz liegen.

13. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die rekonstruierten Nachrichtensymbole in der Umgebung der Trainingssequenz liegen und in einem Vorab-Demodulations- Schritt unter Zugrundelegung der mit Hilfe der Trainings sequenz ermittelten Kanalimpulsantwort gewonnen werden.

14. System nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine mehrfache kaskadierte Vorabdemodulation zur Rekonstruktion weiterer Nachrichtensymbole.