DE68923634T2 - Entzerrer für Radioempfänger. - Google Patents
Entzerrer für Radioempfänger.Info
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf Entzerrer für Radioempfänger der Art, die für den Betrieb in der Gegenwart starker Mehrweginterferenz bestimmt sind.
- Mobiltelefone umfassen zum Beispiel einen Transceiver, von dem der Empfänger Transmissionssignale aus einer Basisstation über eine Vielzahl von Signalwegen empfängt. Die Transmissionssignale sind üblicherweise frequenzmodulierte Signale und die Trägerfrequenz ist hoch. Die Mehrweginterferenz kann Signalwege einer Länge gleich einer Verzögerung äquivalent bis zu 4 Bits von Originaldaten erzeugen, die verwendet werden, um die Trägerwelle zu modulieren. Insbesondere sind Digitaldaten oder Sprachkommunikationen in dieser Sphäre häufig von dem Gauss'schen Minimalverschiebungseintast- bzw. Gauss'schen Mindestwertumtast- (GMSK) -Typus. Der Empfänger umfaßt einen Basisbandfrequenzwandler, welcher die empfangenen Transmissionen demoduliert, um I- und Q-Basisband GMSK- Signale vorzusehen, die durch die vorliegende Mehrweginterferenz verzerrt sind.
- Die zu übertragenden Daten werden in Paketen angeordnet und jedes Paket wird mit einer Anfangssequenz gesendet, die eine Adresse und eine vorbestimmte Datensequenz umfaßt. Diese vorbestimmte Datensequenz wird beim Abschätzen der "Kanalimpulsantwort" verwendet (der Signalverzerrung aufgrund der Mehrweginterferenz).
- Wenn der Kanalimpuls bestimmt ist, können nachfolgend übertragene Datenbits abhängig von den vorhergehenden Bits auf einer Wahrscheinlichkeitsbasis interpretiert werden.
- Es ist unter Verwendung eines Viterbi-Algorithmus möglich, die empfangenen GMSK-Signale mit allen möglichen Signalen zu vergleichen und auf der Basis der Wahrscheinlichkeit das wahrscheinlichste Signal auszuwählen. Von diesem wahrscheinlichsten Signal wird angenommen, das ursprüngliche Signal zu sein.
- Umgekehrt ist es möglich, das empfangene Signal zu falten, wie in IEEE "Transactions on information theory", Band IT-19, Nr. 1, Januar 1973, Seiten 120-124; F.R. Magee et. al. beschrieben ist, um eine Abschätzung von Kanalverzerrung an das hereinkommende Signal anzulegen und Signalsätze aus den so gefalteten hereinkommenden Signalen zu schaffen.
- Eine Vorrichtung, um einen vollständigen Vergleich zu bewirken, unter Verwendung des Viterbi-Algorithmus wäre komplex teuer und bezüglich der Größe und Leistungsanforderungen derart, daß sie keine kommerzielle Lösung des Problemes der Mehrweginterferenz bilden würde; insbesondere in Empfängern wie jenen, die in Mobiltelefonen verwendet werden.
- Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Entzerrer für einen Radioempfänger zu schaffen, mit einem Konverter zum Erzeugen aus einem empfangenen Signal, von digitalen Proben bzw. Abtastungen beim Basisband, und einem Mittel zum Schaffen einer Abschätzung von Kanalverzerrung in dem empfangenen Signal, der gekennzeichnet ist durch einen Speicher, in welchem Signalsätze abgelegt werden, einem Mittel zum Anlegen der Verzerrungsabschätzung an die abgelegten Signalsätze, um dieselben zu modifizieren, einem Auswahlmittel zum Auswählen von Signalsätzen in Abhängigkeit von vorhergehend bestimmten Signalproben, einem metrikerzeugenden Mittel zum Erzeugen von Metriken der ausgewählten Signalsätze und einem Prozessor zum Verarbeiten der erzeugten Metriken in Übereinstimmung mit einem Viterbi-Algorithmus, um den wahrscheinlichsten Wert der augenblicklichen Probe des empfangenen Signals zu bestimmen.
- Die Erfindung wird weiter nur beispielsweise mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in welchen:
- Figur 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Teils eines Empfängers ist, der einen Entzerrer gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt;
- Figur 2 ein schematisches Blockdiagramm eines Metrikgenerators ist, der einen Teil des Entzerrers von Figur 1 bildet;
- Figur 3 ein schematisches Blockdiagramm eines Metrikberechners des Metrikgenerators von Figur 2 ist;
- Figur 4 ein schematisches Blockdiagramm eines Signalauswählers eines Metrikgenerators von Figur 2 ist; und
- Figur 5 ein 8-Zustands-Trellis-Diagramm ist.
- In dem im nachfolgenden beschriebenen Beispiel wird es angenommen, daß Sprach- oder Datensignale in Paketen durch ein bekanntes System unter Verwendung der Gauss'schen Mindestwert-Umtastung (GMSK) übertragen werden. In einem derartigen System liegt die zu übertragende Information in digitaler Form vor oder wird dazu gewandelt, und wird durch ein Gaussr sches Filter geführt. Die individuellen Bits werden jedes in Abhängigkeit von einem oder mehreren vorhergehenden Bits modifiziert. Die so modifizierten Signale werden dann codiert (oder kzennen vor dem Durchtritt durch das Gauss'sche Filter codiert worden sein) und werden verwendet, um eine Trägerwelle mit hoher Frequenz zu modulieren, zum Beispiel zu frequenzmodulieren. Die modulierte Trägerwelle mit der digitalisierten, gefilterten, codierten Information als ihrer Modulation wird dann gesendet bzw. übertragen, jedes Paket in einem respektiven Zeitschlitz eines zeitteilungsmultiplex geschalteten Sendesystem durch zum Beispiel einen Mobiltelefonbasissender.
- Wie mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben, umfaßt jedes Paket eine Anfangssequenz, die eine Adresse und eine vorbestimmte Bitsequenz aufweist. Ein Empfänger mit einem Entzerrer gemäß der vorliegenden Erfindung weist darin eine codierte und Gauss-gefilterte Version dieser vorbestimmten Bitsequenz auf. Die abgelegte Version bildet so eine interferenzfreie Version dieses Teils des übertragenen Signals entsprechend der vorbestimmten Bitsequenz.
- Wenn die abgelegte Version und die empfangene Version verglichen werden, kann eine Abschätzung der Kanalimpulsantwort erhalten werden. Die Kanalimpulsantwort ist, wie oben erklärt, die Verzerrung aufgrund von Mehrweginterferenz, die durch Signalreflektion an Gebäuden verursacht wird. Diese Mehrweginterferenz umfaßt hauptsächlich Signalechos (verzögerte Signale), aufgrund verschiedener Weglängen für reflektierte Signale, die auf das empfangene Signal überlagert sind. Die verschiedenen Weglängen können Verzögerungen bis zu 4T verursachen, wobei T das Bitintervall ist, das heißt Verzögerungen von bis zu 4 Bit von Daten.
- Die Erfindung ist darauf gerichtet, das gewünschte Signal aus dem verzerrten Signal, das durch Mehrweginterferenz verursacht wird, zu extrahieren.
- Nach Figur 1 wird ein verzerrtes empfangenes Signal aus der Antenne eines Empfängers an einen Basisbandfrequenzwandler 10 geführt, worin die Trägerwelle von dem Eingangssignal abgestreift wird. Der Konverter 10 bzw. Wandler 10 gibt I- und Q-basisbandverzerrte GMSK-Signale aus.
- In jedem Paket entspricht der erste Teil des verzerrten empfangenen Signals der vorbestimmten Bitsequenz. Die verzerrten Basisband-GMSK-Signale werden mit Bitfrequenz abgetastet und die Abtastwerte werden aus analogen zu digitalen Werten in einem A- zu D-Wandlermittel 12 gewandelt. Ein Kanalimpulsantwortabschätzer 14 ist vorgesehen. Der digitale Wert jeder Abtastung der vorbestimmten Bitsequenz wird aus dem Wandlermittel 12 daran gespeist und mit dem Digitalwert des interferenzfreien Signals verglichen, das darin abgelegt ist. Der Vergleich ermöglicht eine Abschätzung der zu bestimmenden Kanalimpulsantwort. Die abgeschätzte Kanalimpulsantwort h(t) wird an eine Faltungsvorrichtung bzw. einen Falter 16 gespeist.
- Ein Speicher 18 speichert Signalsequenzen darin. Für einen vollständigen Viterbi-Prozessor wären unter der Annahme von 7-Bit-Worten, 2, das heißt 128, Signalsequenzen darin abgelegt. Diese Signalsequenzen würden jede eine Respektive von jeder möglichen Kombination von 7 Bits darstellen. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist es gefunden worden, daß nur 32 Signalsequenzen ausreichen, um eine vollständige 128-Sequenz zu repräsentieren. Diese Reduktion oder Verringerung kann erreicht werden, weil, unter der Verwendung Gauss'schen Filterns, jedes Bit nach dem ersten in einer Signalsequenz a&sub0; - a&submin;&sub6; von dem vorhergehenden Bit oder den vorhergehenden Bits abhängig ist. Über irgendeine Periode von +T> -4T (T ist die Bitdauer) weisen die Bits die folgende Abhängigkeit auf: Periode beeinflußtes Bit abhängig von
- Es kann gesehen werden, daß die Bits a&sub0; und a&submin;&sub6; einen Einfluß auf nur ein nachfolgendes Bit der Sequenz aufweisen, wohingegen die Bits a&submin;&sub1; bis a&submin;&sub5; zumindest zwei nachfolgende Bits beeinflussen. Statt die Effekte der Bits a&sub0; und a&submin;&sub6; vollständig zu ignorieren, wird eine Mittelungstechnik verwendet, um die 32 Sätze von Signalsequenzen zu erzeugen, die den vollen Satz von Signalsequenzen mit 128 Gliedern hinreichend annähern.
- Wenn die Signalsequenz durch s(t,a) bezeichnet ist, wird die angenäherte Wellenform für n=0 und n=-4 gebildet, indem s(t,a) wie folgt modifiziert werden: a) n=0 wobei bezeichnet eine Mittellung über ist der wiederdefinierte Phasenzustand n=-4
- Die Funktion q(t) weist die Form auf:
- wobei f(u) die Antwort eines Gauss'schen Tiefpaßfilters auf ein Datensymbol ist.
- Indem die vorhergehende Mittelungstechnik verwendet wird, können 128 Digitalsignalsequenzen, welche Gauss-gefiltert worden sind, durch 32 Signalsequenzen dargestellt werden. Der Speicher 18 in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hält eine digitale Darstellung der Wellenform von nur 16 Signalsequenzen (die anderen 16 Signalsequenzen können wie unten beschrieben hergeleitet werden).
- Wie oben erklärt, wird die modulierte Datensequenz mit s(t,a) bezeichnet, wobei a die reduzierte 5-Bitdatensequenz ist. Vor der Anwendung des Viterbi-Algorithmus ist es notwendig, Datensequenzen mit der Kanalimpulsantwort h(t) zu falten, um einen Signalsatz c(t,a) zu bilden. Dies wird durch komplexe Faltung in der Faltungsvorrichtung 16 bewirkt. Es ist auch notwendig, das quadrierte Modul des Signalsatzes zu erzeugen, ( c(t,a) ²).
- Stromabwärts des Faltungsmittels 16 liegt ein Signalauswähler 20 (unten vollständiger beschrieben), in welchem geeignete Signalsätze c(t,a) ausgewählt werden und an einen Metrikgenerator 22 gespeist werden. Der Ausgang des A- zu D-Wandlermittels 12, das abgetastete und digitalisierte hereinkommende verzerrte GMSK-Signal wird ebenfalls an den Metrikgenerator 22 gespeist.
- Die erforderliche Metrik Γ r(a), die zu erzeugen ist, wird durch die folgende Formel bestimmt:
- wobei r(t) = I(t) + jQ(t) das empfangene Signal.
- Wenn die Sequenz a durch Mitteln wie oben beschrieben reduziert worden ist, beginnt die Detektion auf dem unmittelbar vorhergehenden Symbol, das übertragen worden ist, statt dem augenblicklichen Symbol, das heißt für eine Wegspeicherlänge von N-Symbolen ergibt der Viterbi-Algorithmus eine Abschätzung des Symbols an-N statt des Symbols an-(N+1) eines Falles des vollständigen Zustandes (an bezeichnet das augenblickliche Symbol).
- Wie oben erklärt, werden nur 16 Signalsequenzen in dem Speicher 18 abgelegt, und es ist nur notwendig, diese 16 Signalsequenzen s(t,a) mit der Kanalimpulsantwort h(t) in dem Faltungsmittel 16 zu falten. Die anderen 16 Signalsequenzen können erzeugt werden, indem Terme summiert werden, die den imaginären Teil der Sequenzen s(t,a) mit differierenden Vorzeichen mit einbezieht. Dies wird mathematisch wie folgt beschrieben:
- Bezeichne die Sequenz mit dem entgegengesetzten Vorzeichen als -a, dann werden die Signale für diese Sequenzen erzeugt gemäß
- Re{c(t.a)} = Re{s(t,a)} Re{h(t)}-Im{s(t,a)} Im{h(t)} (1.2)
- Im{c(t,a)} = Im(s(t,a)} Re{h(t)}+Re{s(t,a)} Im{h(t)} (1.3)
- Weiter muß die Multiplikation mit 0,5 in dem Modul des Signalsatzes (wie in Gleichung 1.1) nicht ausgeführt werden, wenn die abgelegten modulierten Daten die folgende Form aufweisen
- -s(t,a) = (1/ 2)exp(jφ(t, ))
- Der wichtige Punkt hier ist die Multiplikation mit 1/WURZEL 2.
- Die Signalsätze werden aus dem Signalauswähler 20 an die Metrikberechner 23 des Metrikgenerators 22 zusammen mit den abgetasteten digitalisierten Basisband GMSK-Signalen gespeist. Der Generator 22 erzeugt die Metriken, welche in dem Prozessor 24 wie oben erklärt verwendet werden.
- Bei der Berechnung der Metriken ist es nur notwendig, eine Abtastung/Symbol zu verwenden. Infolgedessen verringert sich die FIR-Filterung oder das Korrelationsverfahren auf eine einzige Multiplikation. Der Effekt der akkumulierten Phase in dem Metrikerzeugungsverfahren ist, zu erfordern, daß die I- und Q-Daten mit sowohl den Real- als auch Imaginärteilen des Signalsatzes korreliert seien, so daß vier Korrelatoren verwendet werden, um eine Metrik zu erzeugen. Jedoch ist es, weil die akkumulierte Phase die Werte 0, π/2, π, 3π/2 annimmt, nur notwendig, zwei der Korrelationen in Korrelatoren 25 auszuführen. Welches Paar, hängt von dem Phasenzustand ab. Ausdruck 1.1 für die Metrik expandierend und die akkumulierte Phase als Θ bezeichnend, wird das oben beschriebene Verfahren ohne weiteres gesehen.
- Wie im nachfolgenden in der Beschreibung des Prozessors 24 erklärt, hängt die Auswahl dessen, welche Signale bei der Erzeugung der Metriken zu verwenden sind, von dem Inhalt des Wegspeichers bzw. der Pfadablage 26 ab. Der Wegspeicher 26 hält Werte von vorhergehend angenommenen Signalen bis zu an-5 (bezüglich der Zeit einen empfangenen Bit an-6 entsprechend) in Speichern 27 und 28 und die akkumulierte Phase (Modulo 2π) in einew Phasenspeichers 29. Der Metrikerzeugungsprozeß für eine gegebene Sequenz b wird in den Figuren 2 bis 4 gezeigt.
- Nach Figur 4 werden die gefalteten Signalsätze c(t,a) aus dem Faltungsmittel 16 an einen ersten Auswähler 30 gespeist. In dem ersten Auswähler wird die Hälfte der Sätze in Abhängigkeit von dem Wert am-4 zurückgewiesen, die aus dem Speicher 27 der Pfadablage 26 geliefert werden. Wie oben mathematisch angedeutet, werden ein Eingang von an-5 aus dem Speicher 28 der Pfadablage 26 und die akkumulierte Phase aus der Phasenablage 29 summiert, um eine Ausgabe zum Bestimmen des Multiplikationsfaktors vorzusehen, der durch Anschluß A an die Korrelatoren/angeglichenen Filter 25 (Figur 3) anzulegen ist. Der gleiche Ausgang wird an einen Auswähler 31 zum Auswählen der Real- und Imaginärteile der ausgewählten Signalsätze angelegt. Der Ausgang aus dem zweiten Auswähler 31 wird an Anschluß B gespeist. Der erste Auswähler 30 sieht auch einen Ausgang für den Signalmoduliauswähler 33 vor, welcher durch Anschluß C des abschließenden Summierers des Metrikberechners 23 (Figuren 2 und 4) gespeist wird.
- In dem Metrikberechner 23 (Figuren 2 und 3) wird der Multiplikationsfaktor aus Anschluß A zu jedem der Korrelatoren/angepaßten Filter 25 gespeist, an welche respektive die abgetasteten digitalisierten I- und Q-Werte der Basisband GMSK-Signale gespeist werden. Die Ausgaben der Korrelatoren 25 werden summiert und an einen Prozessor 32 gespeist, worin der erste Teil der Metrik berechnet wird. Die Ausgabe des Prozessors 32 wird an einen abschließenden Summierer gespeist, worin das ausgewählte Signalmodul addiert wird, bevor an den Viterbi-Prozessor 24 ausgegeben wird. Nach der Verarbeitung in dem Prozessor 24 wird eine Ausgabe des wahrscheinlichsten Signals durchgeführt, welches an die Zustandspfadablage 26 zurückgespeist wird.
- Die in dem Generator 22 erzeugten Metriken werden an den Prozessor 24 gespeist, welcher die Wahrscheinlichkeit auf der Grundlage der Zustands-Trellis-Diagramme wie in Figur 5 gezeigt bestimmt.
- Mit den gegebenen sechzehn Signalen beträgt die Anzahl von Zuständen in den Trellis 64, was einen Satz von Phasenzuständen umfaßt, um die akkumulierte Phase in dem transmittierten Signal zu berücksichtigen. Diese akkumulierte Phase 0 kann einen von vier Werten annehmen (wenn modulo 2π reduziert wird) : 0, π/2, π, 3π/2. Der reduzierte Zustandsentzerrer, der beschrieben ist, bezieht die Phasenzustände nicht ein. Statt dessen wird für jeden Zustand in dem Trellis die akkumulierte Phase basierend auf den Inhalten des Weg- bzw. Pfadspeichers berechnet. Die Implikation davon auf den Metrikerzeugungsprozeß wurde oben beschrieben. Um die Anzahl von Zuständen weiter zu verringern, wird ein Subsatz bzw. eine Teilmenge der Sequenz a (Sequenz b) in der Viterbi- Verarbeitung verwendet. Die Sequenz b hat eine Länge von vier Symbolen und infolgedessen gibt es 8 Zustände in dem Trellisdiagramm wie in Figur 5 gezeigt.
- Mit entfernten Phasenzuständen und der oben beschriebenen Mittelungstechnik, die angewendet wird, um die Länge der Sequenz a zu verringern, resultiert ein 16-Zustand-Entzerrer. In diesem Fall führt der Viterbi-Algorithmus die folgende Aufgabe durch: Ein Auswahlverfahren wird verwendet, um die Anzahl von Sequenzen, die in der Maximierung der Metrik mit einbezogen sind, konstant zu halten. Dieses bezieht ein, daß Sequenzen c(t,a), die nur hinsichtlich des Symboles am-4 (wobei am = an-1) differieren, genommen werden und die Sequenz mit der größten Metrik ausgewählt wird. Dies wird über alle derartigen Kombinationen durchgeführt, und die größte der überlebenden Metriken bildet die Basis für die Entscheidung über das Symbol am-N+1
- Um die Anzahl von Zuständen auf 8 zu reduzieren, wird die folgende Modifikation an dem oben dargelegten Verfahren durchgeführt: Statt Sequenzen zu nehmen, die nur bezüglich des Symboles am-4 differieren, werden nur Sequenzen von der Länge 4 Symbole, die in dem Symbol am-3 differieren, in die Maximierung der Metrik mit einbezogen.
- In dem 16 Zustand-Entzerrer gibt es bei jedem Zustand in dem Trellis zwei mögliche Übergänge. Für jeden Übergang gibt es bei dem Empfänger ein Signal c(t,a), das verwendet wird, um die Metrik in dem Intervall des nächsten Symboles zu erzeugen. Für den 8-Zustandsfall gibt es nun vier mögliche Übergänge abhängig von dem Symbol am-3. Um die zwei Signale zu bestimmen, die in der Erzeugung der Metrik für das nächste Symbolintervall zu verwenden sind, wird der Inhalt des Wegspeichers untersucht, daher wird eine frühe Entscheidung hinsichtlich der Natur des Symboles am-3 durchgeführt.
- Die Werte der verarbeiteten Metriken werden bewertet und die größte verarbeitete Metrik ist dem wahrscheinlichsten Signal äquivalent. Dieses wird für die weitere Verarbeitung ausgegeben, um den Datenbitstrom zu schaffen, der die Sprachund/oder Datenkommunikation bildet.
- Weil Mittelung verwendet wird, um alle möglichen 7-Bit-Werte auf 5-Bit-Werte zu reduzieren, und wegen der Verwendung der Inhalte des Wegspeichers, um die Signalauswahl zu steuern, ist ein verringerter Zustandsprozessor möglich.
Claims (5)
1. Ein Entzerrer für einen Radioempfänger mit einem
Konverter (10, 12) zum Erzeugen aus einem empfangenen Signal
von Digitalabtastungen beim Basisband und einem Mittel
(14) zum Vorsehen einer Abschätzung von Kanalverzerrung
in dem empfangenen Signal, gekennzeichnet durch einen
Speicher (18), in welchem Signalsätze abgelegt sind,
einem Mittel zum Anlegen der Verzerrungsabschätzung an
die abgelegten Signalsätze, um dieselben zu
modifizieren, einem Auswahlmittel (20) zum Auswählen, in
Abhängigkeit von vorhergehend bestimmten Signalabtastungen, von
Signalsätzen, einem metrikerzeugenden Mittel (22) zum
Erzeugen von Metriken der ausgewählten Signalsätze und
einem Prozessor (24) zum Verarbeiten erzeugter Metriken
in Übereinstimmung mit einem Viterbi-Algorithmus, um den
wahrscheinlichsten Wert der augenblicklichen Abtastung
des empfangenen Signals zu bestimmen.
2. Ein Entzerrer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Mittel (14) zum Vorsehen einer Abschätzung der
Kanalverzerrung ein Mittel zum Vergleichen einer
bekannten Datensequenz, die als ein verzerrtes Signal
empfangen wird, mit der bekannten Sequenz umfaßt, und zum
Herleiten der Abschätzung daraus.
3. Ein Entzerrer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die gespeicherten Signalsätze, die in dem Speicher
(18) gehalten werden, 5-Bitsequenzen sind, die
gemittelte
Werte aller möglichen 7-Bit-Sequenzen darstellen.
4. Ein Entzerrer nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Auswahlmittel (20) einen Zustandswegspeicher
(26) umfaßt, worin vorhergehend bestimmte Abtastungen
abgelegt sind, und worin das Auswahlmittel (20) dazu
angepaßt ist, einen Subsatz von 16 der abgelegten
Signalsätze auszuwählen, welche nur in dem Symbol am-4
differieren (wobei am das angenommene Signal äquivalent
in der Zeit zu an-1 ist und an die augenblickliche
Digitalabtastung des empfangenen Signales ist), zum
Gebrauch im Erzeugen der Metriken, in Abhängigkeit von
den Inhalten des Zustandwegspeichers (26).
5. Ein Entzerrer nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Auswahlmittel (20) auch eine Auswahl in
Abhängigkeit von dem Symbol am-3 vorsieht, um den Entzerrer zu
einem 8-Zustand-Entzerrer zu reduzieren.
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