DE69427099T2

DE69427099T2 - Übertragungssystem mit Taktrückgewinnung

Info

Publication number: DE69427099T2
Application number: DE69427099T
Authority: DE
Inventors: Pascal Hayet
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-01-20
Filing date: 1994-01-14
Publication date: 2001-11-08
Anticipated expiration: 2014-01-15
Also published as: FI940268A; EP0608024B1; JP3423934B2; EP1035699A3; JP2001251277A; FI940268A0; CA2113766A1; EP1035699B1; DE69434306D1; DE69434306T2; EP0608024A1; DE69427099D1; KR100334185B1; KR100356975B1; JPH06244818A; EP1035699A2; US5559833A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Übertragungssystem mit einem Sender und einem Empfänger von Signalen, wobei der genannte Empfänger Korrelationsmittel aufweist. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Empfänger, der in einem derartigen Übertragungssystem benutzt wird.
In dem Artikel mit dem Titel: "Applications of the digital correlator" von John Eldon, veröffentlicht in der Zeitschrift: "Microprocessor and microsystems", Heft 12, Nr. 4, 1. Mai 1988, Seiten 214-224, wird die Verwendung von Korrelationsmitteln beschrieben zum Schützen bestimmter Synchronwörter und Periodizitätswörter in einem empfangenen Signal.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Anwendung einer derartigen Anordnung bei einem Übertragungssystem von Signalen, die zu Blöcken formatiert worden sind, wobei diese Blöcke Symbole einer Konstellation darstellen und eine Informationsredundanz haben, d. h. ein und derselbe Block umfasst die gleiche Information, die ein erstes und ein zweites Mal präsentiert wird. Es kann sich dabei beispielsweise um Signale handeln, die erhalten worden sind durch orthogonales N- Frequenzmultiplexing, was aus Spaltung eines übertragenen Informationssignals durch Verteilung des Signals über eine Vielzahl elementarer Kanäle mit niedriger Bitrate besteht. Auf diese Weise transformiert man einen hochselektiven Breitbandkanal zu einer Vielzahl nicht selektiver Elementarkanäle. Da die Einrichtung einen Breitbandkanal bildet, ist es nicht wahrscheinlich, dass Schwund während der Übertragung gleichzeitig den ganzen Kanal beeinflusst. Diese Technik macht es möglich, die Intersymbolinterferenz zu verringern.
Jedem elementaren Kanal ist also eine Frequenz zugeordnet, wobei alle Frequenzen zusammen um eine zentrale Trägerfrequenz herum symmetrisch verteilt liegen. Da die Verwendung selektiver Filter am Empfänger-Ende schwer zu akzeptieren ist, wird bevorzugt, dass eine Überlappung der Spektren gestattet wird, aber dann werden Anforderungen gestellt in Bezug auf Orthogonalität zwischen den Frequenzen zum Eliminieren der Symbolinterferenz zu den Abtastzeitpunkten. Das ganze Spektrum eines OFDM-Signals neigt auf diese Weise zu einem Rechteck-Spektrum.
Bei Empfang sollen die empfangenen Signale demoduliert und danach decodiert werden zum Wiederherstellen der ursprünglichen Information. Zwecks dieser Demodulation wird ein Ortsoszillator verwendet, dessen Frequenz auf der Übertragungsfrequenz verriegelt werden soll.
Das OFDM-Signal wird in durch Blöcke gebildete Frames aufgeteilt, wobei bestimmte Blöcke Dienstblöcke und andere Blöcke Datenblöcke sind. Zur Vermeidung von Intersymbolinterferenz enthält jeder Block redundante Informationssignale. Ein beliebiger Block wird gebildet durch alle Frequenzen OFDM, welche die Anordnung benutzt, wobei diese Frequenzen durch die zu übertragenden Symbole, die von einer codierten Modulation herrühren, beispielsweise von einer PSK- oder QAM- Modulation. Beim Senden werden diese Symbole mit einem bestimmten Takt codiert, der bei Empfang zurückgefunden werden soll, damit sie einwandfrei decodiert werden können. Die Erfindung bezweckt nun, bei Empfang den bei dem Senden benutzten Takt zurückzufinden.
In dem bekannten Dokument FR 2 639 495 wird ein digitales Datenübertragungsverfahren beschrieben, bei dem eine OFDM-Technik angewandt wird. Das Verfahren der Synchronisationswiederherstellung erfolgt mit einem Rahmen, wobei zwei spezifische Blöcke benutzt werden, wobei es sich um einen Null-Block am Anfang des Frames und um einen Wobbelblock handelt. Dieses Dokument betont die Bedeutung der Nicht-Synchronisierung eines Taktblocks gegenüber dem binären Pegel, wie bei bisherigen Techniken. Das genannte Dokument arbeitet folglich mit binären Datenanforderungsfenstern, von denen erwartet wird, dass sie eine ausreichende Genauigkeit haben zum Decodieren der binären Daten.
Wenn aber einmal je Frame eine Synchronisation durchgeführt wird, wobei ein Frame beispielsweise eine Dauer von 20 ms hat, ist die Genauigkeit der Synchronisation nach wie vor unzureichend.
Es ist also u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Taktsynchronisation zu schaffen mit einer größeren Genauigkeit als bisher für ein in Blöcken formatiertes Signal, wobei die Blöcke an sich redundante Informationssignale enthalten.
Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung u. a. dadurch erfüllt, dass eine Taktwiederherstellung durchgeführt wird, wobei Daten benutzt werden, die mit der Blockfrequenz erhalten werden. Deswegen weist ein Übertragungssystem nach der vorliegenden Erfindung das Kennzeichen auf, dass
- die genannten Signale in Blöcken formatiert sind, wobei diese Blöcke von Symbolen einer Konstellation herrühren und je Informationen enthalten, die als identische Informationen bezeichnet werden, gebildet aus einem Teil der Nutzinformation, die in dem Block übertragen worden ist, und aus einer Kopie dieses Teils, die in der Zeit in dem genannten Block vor dem Senden verschoben ist,
- die genannten Korrelationsmittel zwischen den genannten identischen Informationen eine Korrelation herbeiführen zum Erzeugen eines Signals, das als Differenzsignal bezeichnet wird, dessen Frequenz repräsentativ ist für die Blockfrequenz, wobei das genannte Streusignal Frequenzteiler-Steuermitteln zugeführt wird zum Steuern eines Frequenzoszillators mit der Symbolfrequenz des empfangenen Signals.
Auf diese Weise benutzt die Erfindung auf vorteilhafte Art und Weise die Redundanz der Daten, die sich in jedem Block befinden um die Qualität der Synchronisation wesentlich zu verbessern.
In dem speziellen Fall eines OFDM-Signals mit einem Frame mit 125 Blöcken kann die Genauigkeit der Taktwiederherstellung als um einen Faktor von etwa 125 verbessert geschätzt werden.
Vorzugsweise enthalten die Korrelationsmittel Verzögerungsmittel, welche die empfangenen Signale um eine Zeitspanne verzögern, welche die genannten identischen Informationen trennt, zum Erzeugen des genannten Verzögerungssignals.
Zum voneinander Subtrahieren der Datengruppen, die am Anfang und am Ende jedes Blocks vorhanden sind, werden Zeitverzögerungsmittel verwendet, die eine verzögerte Replik des empfangenen Signals bilden, wobei diese Replik von dem empfangenen Signal selbst subtrahiert wird, so dass ein Steuersignal geliefert wird, das der Blockrate entspricht.
Dieses Steuersignal beeinflusst eine phasenverriegelte Schleife zum Steuern, und zwar durch Frequenzteilung, eines Oszillators, dessen Oszillatorfrequenz viel höher ist als die Blockfrequenz und der den Baud-Ratentakt erzeugt.
Die Erfindung benutzt bestimmte Mittel die an sich im Stand der Technik bekannt sind. Es sei beispielsweise bemerkt, dass in dem US Patent Nr. 3.883.729 ein Korrelationsverfahren beschrieben ist zum Zurückfinden der Synchronwörter in einem Zeitmultiplexnetzwerk. Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil durch die Tatsache, dass diese Synchronwörter sich zu regelmäßigen Zeitintervallen in dem Netzwerk finden lassen. Andererseits wird in dem US Patent Nr. 3.599.103 die Benutzung einer Verzögerungsleitung, eines Subtrahierers und einer Phasenverriegelungsschleife beschrieben mit der Absicht den Abtasttakt eines Empfängers eines analogen Übertragungssystems in der Phase zu verriegeln, wobei die Daten durch Phasenverschiebung codiert sind.
Diese Aspekte der Erfindung und auch andere Aspekte dürften auf Basis der nachstehend zu beschreibenden Ausführungsformen einleuchten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Zeitdiagramm mit der Erzeugung eines Differenzsignals mit der Blockrate, und
Fig. 2 ein Schaltbild einer Taktwiederherstellungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung, vorgesehen in einem Empfänger.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf den speziellen Fall eines OFDM-Signals, aber gilt ebenfalls für andere Signale, die in Blöcken formatiert sind, wobei jeder Block redundante Informationssignale enthält.
Die OFDM-Technik besteht aus einem Frequenzmultiplexverfahren an mehreren orthogonalen Trägern, die durch die Symbole moduliert sind. Ein OFDM- Symbol kann wie folgt geschrieben werden:
(1) s(t) = Re {e2iπfot xk · Φk(t)}
für j.T's < t < (j + 1)T's
mit k(t) = e2i kt/Ts für jT's ≤ k ≤ (j + 1)T's
wobei:
T's: Gesamtdauer eines OFDM-Symbols, T's = Ts +
Re: reeller Teil einer komplexen Zahl
k: Index der orthogonalen Träger
Ts: Nutzperiode eines OFDM-Symbols
:Überprüfungsintervall
N: maximale Anzahl Träger
f&sub0;: beliebige Frequenz
j: Index des OFDM-Symbols.
Auf diese Weise wird zwischen den Zeitpunkten j.T's und (j + 1)T's ein OFDM-Signal gebildet durch einen Block komplexer Symbole xk, wobei jedes Symbol xk einen orthogonalen Träger 0 ≤ k N - 1 moduliert.
Zur Vermeidung des Problems der Spektralüberlappung und zum Ermöglichen der Filterung im Empfänger wird die Summe entsprechend der Gleichung (1) aus Nu Trägern gemacht, wobei Nu die Anzahl Nutzträger (Nu < N) ist.
Zum Verwirklichen der OFDM-Modulation, d. h. zum Bilden des Signals s(t) aus der Gleichung (1) wird ein Modulator benutzt, der eine Berechnung einer invertierten "Fast Fourier Transform" (FFT&supmin;¹) durchführt. Dazu wird eine Zahl der Form 2x, wobei x eine ganze Zahl ist, für N selektiert. Andere Überprüfungsblöcke für die Übertragung werden ebenfalls eingefügt.
Die selektierten Parameter sind beispielsweise die nachfolgenden:
T's = 160 s, Ts = 128 s und = 32 s.
N = 1024 Träger, Nu = 900 Träger.
Die Hauptrolle des Überprüfungsintervalls ist die Echos, herrührend von dem Mehrstreckenkanal und mit Verzögerungen, die niedriger sind als, zu absorbieren. Während des Überprüfungsintervalls (das vorzugsweise einem Viertel der Nutzperiode entspricht) wird ein Signal übertragen, das einem Teil der Nutzperiode entspricht.
Die Selektion von Nu = 900 rührt her von der Tatsache, dass wenn das Band um jeden Träger herum 1/Ts = 7,81 kHz beträgt, 900 Träger notwendig sind für eine effektive Bandbreite des übertragenen Signals von etwa 7 MHz (wobei die genaue Bandbreite 7,031 MHz beträgt).
Die Blöcke an dem Ausgang eines Kanalcodierers werden in Frames übertragen. Auf diese Weise gruppiert ein Frame eine Anzahl zeitgemultiplexte OFDM-Blöcke neu. Ein OFDM-Block kann Daten enthalten oder kann ein Block sein, der insbesondere benutzt wird zur Synchronisation (Frame-, Takt-, Trägersynchronisation) oder als Bezugsblock für die Differenzmodulation benutzt wird.
Ein Beispiel der Framestruktur wird gegeben durch: TAFEL 1
Ts = 160 s
←--→
←-------------------------------------------→
Tf = 20 ms
Das Frame enthält 125 OFDM Blöcke und hat eine Dauer Tf von 20 ms;
- Der erste Block ist der Null-Block, in dem nicht übertragen wird (xk = 0, k = 0, N - 1).
Er wird benutzt zum Synchronisieren des Anfangs des Frames.
- Der zweite Block ist der AFR-Block, benutzt zum Synchronisieren der Frequenz des Ortsoszillators des Empfängers zu der des Ortsoszillators des Senders.
- Der dritte Block ist der Wobbelblock, definiert durch:
xk = 2ejΦk, Φk = πk²/N + π/4
Der Wobbelblock wird benutzt als Bezugsblock zur differenziellen Codierung und ebenfalls zum Schätzen der Impulsstoßantwort des Kanals zur genauen Synchronisation des Anfangs des Frames.
- Der vierte und der fünfte Block sind zusätzliche Blöcke, die benutzt werden können zum Übertragen von Hilfsdaten.
- Zum Schluss gibt es die 120 OFDM-Datenblöcke.
Ein Frame enthält 100 Codewörter, die erzeugt werden von dem Kanalcodierer.
Die Erfindung benutzt auf vorteilhafte Weise das Vorhandensein eines Überprüfungsintervalls in jedem Block eines OFDM-Frames. Fig. 1 stellt zwei aufeinanderfolgende Blöcke B1 und B2 dar. Die nachfolgende Erläuterung gilt für alle Blöcke. Die Blöcke B1/B2 werden gebildet durch ein Überprüfungsintervall mit einer Dauer, dem ein Nutzintervall mit einer Dauer Ts folgt, das Nutzdaten enthält. In einem übertragenen Block werden die Daten, die am Ende des Nutzintervalls Ts auftreten, am Anfang des Blocks kopiert, bevor er über den Kanal übertragen wird. Es sei also bemerkt, dass in jedem Block am Anfang und am Ende des Blocks ein identisches Informationssignal erscheinen. In Fig. 1 ist das empfangene Signal das Signal r(t). Dieses Signal r(t) wird von den Verzögerungsmitteln um eine Zeitperiode derart verzögert, dass die Information am Anfang des verzögerten Signals rd(t) gleichphasig ist zu der Information am Ende des nicht verzögerten Signals r(t). Für denselben Block B1 sind diese zwei Informationssignale identisch. Dadurch, dass diese zwei Signale subtrahiert werden, wird ein Signal e(t) erhalten, das durch ein Intervall mit einer Dauer von gebildet wird, wobei e(t) Null ist, welchem Wert ein Intervall mit einer Dauer Ts vorhergeht, oder e(t) ist nicht Null. In Fig. 1 wird das Signal e(t) in Form eines Rechtecksignals dargestellt, aber in Wirklichkeit stellt dieses Signal eine komplexere und mehr sinusförmige Gestalt dar mit einer Basisfrequenz entsprechend der Blockfrequenz. Dadurch ist es möglich, diese Blockfrequenz durch Filterung zu isolieren.
Fig. 2 stellt ein Schaltbild einer Anordnung nach der vorliegenden Erfindung dar, die eine Isolierung der Blockfrequenz und Steuerung eines Oszillators ermöglicht, der Basissymbole der codierten Modulation mit der Taktfrequenz erzeugt. Mittel 11 ermöglichen es, dass das Differenzsignal e(t) mit der Blockfrequenz erzeugt wird. Die Mittel 11 umfassen zugeordnete Filtermittel 14. Das Signal r(t) wird in Verzögerungsmitteln 12 für das zu erzeugende Signal rd(t) verzögert. Die Signale r(t) und rd(t) werden in Subtrahiermitteln 13 voneinander subtrahiert und erzeugen das Differenzsignal e(t). Das Differenzsignal e(t) ist vorher in einem Bandpassfilter 14, in Übereinstimmung gebracht mit der bei der Sendung benutzten Blockfrequenz.
Das Differenzsignal geht in eine phasenverriegelte Schleife 15. Es wird beabsichtigt, einen Ortsoszillator 16 vom VCO-Typ zu steuern, der in der Freilaufmode mit einer Frequenz nahe der Taktfrequenz der codierten Modulationssymbole schwingt. Die Schleife 15 wird geformt durch eine Vergleichsschaltung 20, ein Tiefpassfilter 22 und einen Frequenzteiler 24. So kann beispielsweise die Frequenz des Signals e(t) gleich 12,5 kHz und die Oszillatorfrequenz kann nahe 16 MHz sein. Das Ausgangssignal des Filters 22 (12,5 kHz) steuert die Frequenz des Oszillators 16. Zum Reduzieren der Frequenz des Oszillatorsignals auf eine Frequenz von 12,5 kHz, so dass die Schleife 15 wirken kann, ist es notwendig, einen Frequenzteiler 24 vorzusehen. In dem genannten Beispiel soll mit einem Faktor 1280 geteilt werden. Wenn die Ausrichtung durchgeführt worden ist, liefert der Ausgang des Oszillators den Takt mit der Rate Hr.

Claims

1. Übertragungssystem mit einem Sender und einem Empfänger von Signalen, wobei der genannte Empfänger Korrelationsmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass

- die genannten Signale in Blöcken formatiert sind, wobei diese Blöcke von Symbolen einer Konstellation herrühren und j e Informationen enthalten, die als identische Informationen bezeichnet werden, gebildet aus einem Teil der Nutzinformation, die in dem Block übertragen worden ist, und aus einer Kopie dieses Teils, die in der Zeit in dem genannten Block vor dem Senden verschoben ist,

- die genannten Korrelationsmittel zwischen den genannten identischen Informationen eine Korrelation herbeiführen zum Erzeugen eines Signals, das als Differenzsignal bezeichnet wird, dessen Frequenz repräsentativ ist für die Blockfrequenz, wobei das genannte Differenzsignal Frequenzteiler-Steuermitteln zugeführt wird zum Steuern eines Frequenzoszillators mit der Symbolfrequenz des empfangenen Signals.

2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationsmittel Verzögerungsmittel aufweisen, welche die empfangenen Signale um eine Zeitperiode verzögern, die das erste und das zweite Mal, dass dieselbe Information auftritt, trennt, zum Erzeugen des genannten Differenzsignals.

3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Korrelationsmittel vorgesehen sind zum Korrelieren, durch Subtraktion, der genannten identischen Informationen.

4. Empfänger für Signale, mit Korrelationsmitteln, dadurch gekennzeichnet, dass

- die genannten Signale in Blöcken formatiert sind, wobei diese Blöcke von Symbolen einer Konstellation herrühren und je Informationen enthalten, die als identische Informationen bezeichnet werden, gebildet aus einem Teil der Nutzinformation, die in dem Block übertragen worden ist, und aus einer Kopie dieses Teils, die in der Zeit in dem genannten Block vor dem Senden verschoben ist,

5. Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationsmittel Verzögerungsmittel aufweisen, welche die empfangenen Signale um eine Zeitperiode verzögern, die das erste und das zweite Mal, dass dieselbe Information auftritt, trennt, zum Erzeugen des genannten Differenzsignals.

6. Empfänger nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationsmittel vorgesehen sind zum Korrelieren, durch Subtraktion, der genannten identischen Informationen.