FI112739B

FI112739B - Menetelmä ja laitteisto häiritsevän signaalin havaitsemiseen radiovastaanottimessa

Info

Publication number: FI112739B
Application number: FI981152A
Authority: FI
Inventors: Mikko Huttunen
Original assignee: Nokia Corp
Priority date: 1998-05-25
Filing date: 1998-05-25
Publication date: 2003-12-31
Also published as: US7016434B1; AU4516499A; WO1999062190A3; WO1999062190A2; FI981152A; EP1080536A2; FI981152A0

Description

112739

Menetelmä ja laitteisto häiritsevän signaalin havaitsemiseen radiovastaanottimessa

Keksinnön tausta

Keksinnön kohteena on menetelmä häiritsevän signaalin havaitse-5 miseen aikajakomonikäyttö (TDMA) -radiovastaanottimessa.

Siirrettäessä informaatiota radiokanavan välityksellä täytyy lähetettävä signaali moduloida. Moduloinnin tarkoituksena on saada signaali sellaiseen muotoon, että se voidaan lähettää radiotaajuudella. Hyvältä modulaatio-menetelmältä voidaan edellyttää esimerkiksi, että pystytään siirtämään mah-10 dollisimman paljon informaatiota mahdollisimman kapealla taajuuskaistalla. Käyttötarkoituksesta riippuen voidaan painottaa myös muita ominaisuuksia. Lisäksi modulaation täytyy olla sellainen, että se aiheuttaa mahdollisimman vähän häiriöitä naapurikanavalle.

Eräs modulaatiomenetelmä on π/4-DQPSK (π/4-shifted, Differential 15 Quaternary Phase Shift Keying) -modulointi. Tässä modulaatiomenetelmässä on kahdeksan vaihetilaa, mutta vain neljä vaihesiirtymää. Sallitut vaihesiirty-mät (symbolit) ovat +π/4 ja +3π/4. Kuviossa 3A on esitetty modulaation vaihe-siirtymäkuvio (konstellaatio). Jokainen vaihesiirtymä vastaa kahta lähetettävää bittiä. Toisin sanoen digitaalinen signaali moduloi kantoaaltoa kahden bitin 20 jaksoissa siten, että jokaista kahden bitin yhdistelmää vastaa tietty vaiheen I muutos jokaisen symbolijakson aikana. Symbolijaksolla tarkoitetaan signaalin jaksoa, joka käytetään kahden bitin välittämiseen. Bittiyhdistelmiä 00, 01, 10 ja : 11 vastaavat vaiheenmuutokset ovat π/4, 3π/4, -π/4 sekä -3π/4. Esimerkiksi : TETRA (Terrestrial Trunked Radio) -järjestelmässä käytetty symbolitaajuus on 25 18 kHz, jolloin bittitaajuus on 36 kHz.

Vastaanotettaessa signaalia täytyy se demoduloida eli ilmaista signaaliin moduloidut bitit ilmaisimen avulla, jotta siihen sisältyvä informaatio saadaan selville. Radioteitse tapahtuvassa välityksessä saattaa esiintyä tilanne, jossa käytettävällä radiotaajuudella esiintyy jokin häiritsevä signaali, joka 30 käyttää eri modulaatiomenetelmää kuin varsinainen signaali. Esimerkiksi TETRA-järjestelmässä tällaisen häiritsevän signaalin detektointi voidaan suorittaa tutkimalla vastaanotetun aikavälin opetusjaksoa, joka aina sisältyy aikaväliin. Laskemalla opetusjakson bittivirhesuhde opetusjakson tallennettuun versioon vertaamalla voidaan havaita vastaanotetun signaalin olevan häiriö-35 signaali, jos virhesuhde nousee tietyn raja-arvon yli.

2 112739

Ongelmana yllä kuvatussa järjestelyssä on se, että oikean signaalin opetusjakson aikana voi ilmetä vastaanoton laatua heikentäviä tekijöitä kuten voimakas signaalin häipymä. Tällöin voi bittivirheiden määrä kasvaa niin suureksi, että tehdään virheellinen tulkinta häiritsevän signaalin olemassaolosta.

5 Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on siten kehittää menetelmä, joka ratkaisee yllä mainitut ongelmat. Keksinnön tavoitteet saavutetaan menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, että menetelmässä otetaan vastaanotetusta signaalista näytteitä symbolijaksoittain TDMA-aikavälin yli, muodostetaan modulaationil-10 maisimella TDMA-aikaväliä tai sen osaa vastaava signaalipolku, määritetään muodostetun signaalipolun virheellisyyttä kuvaava virhe-estimaatti, verrataan virhe-estimaattia ennalta määrättyyn kynnysarvoon ja tunnistetaan häiritsevän signaalin vastaanotto, jos virhe-estimaatti on suurempi kuin ennalta määrätty kynnysarvo.

15 Keksintö perustuu siihen, että määritetään vastaanotetun signaalin TDMA-aikaväliä tai sen osaa vastaavan signaalipolun virheellisyyttä kuvaava virhe-estimaatti, jota verrataan ennalta määrättyyn kynnysarvoon ja päätellään tämän perusteella onko vastaanotettu signaali häiriösignaali vai ei.

Keksinnön mukaisen menetelmän etuna on se, että käytettäessä 20 havaintovälinä esimerkiksi puoliaikaväliä saadaan häiriösignaalin havaitsemi-j nen tehtyä luotettavammin kuin esimerkiksi pelkän opetusjakson perusteella on mahdollista. Lisäksi virhe-estimaattina voidaan käyttää signaalin normaalin • j ilmaisun yhteydessä mahdollisesti tuotettavaa virhe-estimaattia, mikä mahdol- listaa hyvin yksinkertaisen toteutuksen.

25 Keksinnön kohteena on myös laitteisto häiritsevän signaalin havait- ! semiseen aikajakomonikäyttö (TDMA) -radiovastaanottimessa, jolloin laitteis tolle on tunnusomaista se, että laitteisto käsittää välineet näytteiden ottamiseksi vastaanotetusta signaalista symbolijaksoittain TDMA-aikavälin yli ja mo-dulaationilmaisimen TDMA-aikaväliä tai sen osaa vastaavan signaalipolun 30 muodostamiseksi, ja että laitteisto on sovitettu määrittämään muodostetun signaalipolun virheellisyyttä kuvaava virhe-estimaatti ja vertaamaan virhe-: estimaattia ennalta määrättyyn kynnysarvoon, ja että laitteisto on lisäksi sovi tettu tunnistamaan häiritsevän signaalin vastaanotto, jos virhe-estimaatti on suurempi kuin ennalta määrätty kynnysarvo. Tällaisen laitteiston avulla voi-: 35 daan keksinnön mukaisen menetelmän edut saavuttaa yksinkertaisella tavalla.

3 112739

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää lohkokaavion eräästä TETRA-järjestelmän mukai-5 sesta vastaanoton rakenteesta;

Kuvio 2 esittää yksinkertaistetun kaaviokuvan TETRA-järjestelmän kehysrakenteesta;

Kuvio 3A esittää π/4-DQPSK-moduloinnin vaihesiirtymäkaavion;

Kuvio 3B esittää π/4-DQPSK-moduloinnin konstellaatiopisteet; 10 Kuvio 4 esittää lohkokaavion adaptiivisesta MLSE-ilmaisimesta ja siihen liittyvistä kanavaestimaattoreista erään suoritusmuodon mukaisesti;

Kuvio 5 esittää vuokaavion eräästä keksinnön mukaisen menetelmän sovellutusmuodosta.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus 15 Keksintöä selitetään seuraavassa TETRA-järjestelmän yhteydessä, mutta keksintöä ei ole tarkoitus rajoittaa mihinkään tiettyyn järjestelmään tai modulaatiomenetelmään.

Tetra-järjestelmässä siirtotien hallintakerrokselta MAC (Medium Access Layer) saadut informaatiobitit koodataan lohkokoodauksella ja konvoluu-20 tiokoodauksella, jotta radiotiellä signaaliin aiheutuvat virheet voitaisiin havaita ja mahdollisesti korjata vastaanotossa. Koodatut bitit lomitetaan siten, että pe- räkkäiset bitit ovat kaukana toisistaan. Tämä helpottaa virheenkorjausta, jos ·* lähetettävään signaaliin kohdistuu radiotiellä hetkellinen häiriö. Lomitetut bitit j sekoitetaan käyttämällä tiettyä värikoodia, jonka avulla eri tukiasemien lähe- 25 tykset voidaan tunnistaa. Multipleksoinnissa yhdistetään eri loogisten kanavien bittejä. Multipleksoiduista biteistä muodostetaan tämän jälkeen purske. Purske on rakenne, joka lähetetään yhdessä TDMA (Time Division Multiple Access) aikavälissä tai aliaikavälissä. Purske koostuu databittikentistä 20 ja 22 sekä niiden välissä purskeen keskellä olevasta opetusjaksosta 21, kuten kuviossa 2 30 on havainnollistettu. Differentiaalikoodaus muodostaa purskeen bittipareista moduloivia symboleita. Symbolien ohjauksella moduloitu kantoaalto vahviste-: taan lähettimessä ja lähetetään radiotielle.

Modulointi on edellä kuvattu π/4-DQPSK (π/4-shifted, Differential ' Quaternary Phase Shift Keying) -modulointi. Tässä modulaatiomenetelmässä 35 on kahdeksan vaihetilaa, mutta vain neljä vaihesiirtymää. Sallitut vaihesiirty- 4 112739 mät (symbolit) ovat +π/4 ja +3π/4. Käytännössä siis π/4-DQPSK-konstellaatio vaihtelee symbolin välein kahden 4-pisteisen konstellaation välillä, joita on kuviossa 3B havainnollistettu neljällä mustalla pisteellä (1. Konstellaatio) ja neljällä valkoisella pisteellä (2. Konstellaatio). Symboiijakson vaihtuessa on mah-5 dollista siirtyä vain valkoisesta mustaan pisteeseen ja mustasta valkoiseen pisteeseen. Kukin näistä kahdeksasta konstellaatiopisteestä voidaan esittää numeroin 0-3, kuten kuviossa 3B. Radiokanavan epäideaalisuuksista johtuen saattavat konstellaatiopisteet siirtyä.

Kuviossa 1 on esitetty lohkokaavio eräästä keksinnön mukaisesta 10 vastaanotin rakenteesta esimerkiksi TETRA-järjestelmää varten. Vastaanottimesta on kuvattu vain keksinnön selittämisen kannalta oleelliset osat. Vastaanotossa saadaan signaali antennilta (ei esitetty) ja radiotaajuiset osat käsittelevät ensin signaalia. Tämän jälkeen otetaan A/D-muuntimilla (ei esitetty) näytteitä välitaajuisesta signaalista. Näytteet syötetään synkronointilohkolle 15 11, kuten kuviossa 1 on havainnollistettu signaalilla RF. Synkronointilohko 11 etsii kehysrakenteeseen kuuluvaa opetusjaksoa 21 saaduista näytteistä. Sen avulla synkronointilohko pystyy määrittämään tarkasti näytteenottohetken eli kaikkien symbolien paikat näytevirrassa. Synkronointilohko ohjaa myös vastaanottimen radiotaajuisia osia siten, että A/D-muuntimelle tuleva signaali py-20 syisi optimaalisella tasolla. Synkronointilohko antaa kehyksen kanavakorjain-ja ilmaisinlohkolle 12. Kanavakorjaimessa korjataan radiotiekanavan aiheutta- I · .’·· mia epäideaalisuuksia ja siihen liittyvä ilmaisin ilmaisee informaatiobitit. Lo- puksi muodostetaan kehystyksessä 13 kehyksestä looginen kanava, joka lä-: · j hetetään edelleen jatkokäsittelyyn.

. 25 Edellä on keksinnön ymmärtämisen helpottamiseksi kuvattu eräs esimerkki vastaanottimen yleisestä rakenteesta. Vastaanottimen rakenne voi ; , kuitenkin vaihdella ilman, että poiketaan esillä olevasta keksinnöstä.

* ·

Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa ilmaisin 12 on MLSE -ilmaisin, jotka on varustettu Viterbi-algoritmilla. Adaptiivinen MLSE-ilmaisin siis ; ‘ 30 käsittää Viterbi-ilmaisijan 41 ja ainakin yhden adaptiivisen kanavaestimaattorin : 42a (a=1...Mv), kuten kuviossa 4 on esitetty. Viterbi-ilmaisija 41 estimoi lähe tettyä sekvenssiä vastaanotetusta sekvenssistä rn käyttäen apuna kanavaes-. : timaattorin 42a luomaa kuvausta radiokanavan impulssivasteesta. Kanavaes- timaattori 42a estimoi adaptiivisesti radiokanavan impulssivastetta käyttäen ’ 35 apuna Viterbi-ilmaisimen 41 tuottamia päätöksiä Jn tai alustavia päätöksiä.

Kutakin Viterbi-ilmaisimen sekvenssiä vastaa yksi kanavaestimaatti. Nämä es- 5 112739 timaatit on mahdollista toteuttaa yhdellä yhteisellä kanavaestimaattorilla, mutta tämä johtaa kanavaestimaattorin seurantakyvyn heikkenemiseen. Kuviossa 4 esitetyssä suoritusmuodossa on useita rinnakkaisia kanavaestimaattoreita 42a, edullisesti yhtä monta kuin sekvenssejä.

5 Radiotielle on tyypillistä, että lähetetty signaali saapuu vastaanotti meen useita etenemisteitä pitkin, joilla jokaisella on sille ominainen aikaviive, minkä lisäksi kanavan ominaisuudet muuttuvat ajan funktiona. Esimerkiksi radiotiellä heijastuneet ja viivästyneet säteet aiheuttavat symbolien välistä ylikuulumista (ISNIntersymbol Interference). Kanavan taajuusvastetta tai im-10 pulssivastetta voidaan estimoida diskreettiaikaisella suodattimena, kanavaestimaattorilla, jonka tappikertoimet mallintavat radiokanavaa. Kanavaestimaa-tilla pyritään kuvaamaan radiokanavan tilaa.

Tässä selityksessä kanavaestimaattorilla käsitetään yleisesti mekanismia, joka estimoi ja ylläpitää kuvausta radiokanavan kompleksisesta im-15 pulssivasteesta. Tähän mekanismiin liittyy olennaisesti menetelmä, jolla kana-vaestimaattia päivitetään. TETRA-järjestelmässä kanavaestimaattien päivittämiseen voidaan käyttää LMS (Least Mean Square) -algoritmia. Jotta LMS-algoritmin konvergoituminen ennen varsinaisten informaatiobittien alkua varmistettaisiin, on ilmaisimen 12 saatava mahdollisimman hyvä alkuestimaatti 20 kanavan tilasta. Tämä estimaatti saadaan synkronoinnilta 11, joka etsiessään optimaalista näytteenottohetkeä laskee kompleksista ristikorrelaatiota vas-taanotetun signaalin opetusjakson 21 ja opetusjakson tallennetun version vä-Iillä. Ristikorrelaatiotuloksesta saadaan kanavaestimaatille alkuarvo, joka ku-:··· vaa kanavan keskimääräistä tilaa opetusjakson aikana. Kanavakorjaus ja 25 symbolien ilmaiseminen aloitetaan vasta, kun opetusjakso on vastaanotettu.

V. Tämä siksi, että symbolisynkronointi kykenee säätämään symboliajastuksen * * mahdollisimman tarkaksi ja muodostamaan kanavan alkuestimaatin. Sekä

I I

eteenpäin- että taaksepäin suoritettava kanavakorjaus tapahtuu siten, että estimaattien alustusten jälkeen lähdetään liikkeelle siten, että opetetaan ilmai-30 sinta 12 opetusjakson 21 yli kohti purskeen loppua tai vastaavasti alkua, kuten . .; kuviossa 2 on esitetty.

; Viterbi-algoritmi on menetelmä, jolla etsitään trellis maksimitoden- ; näköisyyttä vastaavalle signaalipolulle signaalipolkujen joukosta, jossa kutakin signaalipolkua vastaa edullisesti yksi kanavaestimaatti. Mahdollista on myös 35 käyttää kaikille poluille yhtä yhtenäistä estimaattia, kuten jo aiemmin todettiin. Signaalipoluilla tarkoitetaan tässä yhteydessä erilaisia perättäisten modulaa- 6 112739 tiosymbolien yhdistelmiä. Jokaisessa trelliksen haun vaiheessa ilmaisimessa etenee ML sekvenssiä, joilla jokaisella on oma euklidiseen etäisyyteen perustuva polun metriikka. Kanavan nykyisestä tilasta saatavilla olevan tiedon, eli kanavaestimaatin, perusteella konstruoidaan referenssikonstellaatiopisteet.

5 Kun referenssikonstellaatiopisteet on laskettu, voidaan laskea referenssipis-teen ja vastaanotetun näytteen välinen ero kullekin kanavaestimaatille. Tämän virheen avulla voidaan päivittää kanavaestimaatti. Tietyn signaalipolun virhe-metriikka lasketaan summaamalla signaalipolun kaikkien pisteiden virhemetrii-kat eli neliölliset virheet yhteen.

10 Kuviossa 5 on esitetty vuokaavio eräästä keksinnön mukaisen me netelmän sovellutusmuodosta. Keksinnön perusajatuksen mukaisesti määritetään vaiheessa 51 aluksi vaiheessa 50 vastaanotetun signaalin aikaväliä tai sen osaa vastaavan signaalipolun virheellisyyttä kuvaava virhe-estimaatti. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti virhe-estimaatti määritetään 15 puoliaikaväliä 20 tai 22 kohden. Edelleen edullisen suoritusmuodon mukaisesti virhe-estimaattina käytetään virhemetriikkaa, jonka ilmaisin 12 tuottaa ilmai-semiensa bittien lisäksi kuvaamaan tuottamansa bitti-informaation virheellisyyttä aiemmin tässä selityksessä kuvatulla tavalla. Tämän jälkeen verrataan vaiheessa 52 virhemetriikkaa ennalta määrättyyn kynnysarvoon. Jos virhemet-20 riikka-arvo ylittää kynnysarvon, eli signaalin virheellisyys puoliaikaväliä kohden on suurempi kuin ennalta määrätty arvo, voidaan olettaa, että vastaanotettu j signaali on häiriösignaali tai jokin muu kuin TETRA-moduloitu signaali (vaihe : 53). Menetelmän luotettavuutta voidaan lisätä käyttämällä havaintojaksona * puoliaikaväliä pitempää aikajaksoa.

j 25 Keksinnön erään vaihtoehtoisen suoritusmuodon mukaisesti käy tetään ilmaisimen 12 lisäksi yhtä tai useampia rinnakkaisia edullisesti eri tyyp-, pisiä ilmaisimia. Rinnakkaiset ilmaisimet toimivat itsenäisesti toisistaan riippu matta ja tuottavat kukin oman virhemetriikka-arvonsa tuottamalleen informaatiolle. Näistä rinnakkaisista ilmaisimista valitaan parhaan virhemetriikka-arvon \ * 30 omaava ilmaisin ja edetään tämän jälkeen keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon mukaisesti vertaamalla valitun ilmaisimen virhemetriikkaa ennalta ; määrättyyn kynnysarvoon kuten edellä on kuvattu. Käyttämällä rinnakkaisia il maisimia, jotka ovat keskenään eri tyyppisiä voidaan yhdellä ilmaisimella saavuttaa hyvä suorituskyky sellaisissakin vastaanotto-olosuhteissa, joissa toinen 35 ilmaisin ei toimi optimaalisesti. Esimerkiksi koherentti-ilmaisin toimii hyvin kanavalla, jolla on kohinaa mutta ei symbolien välistä ylikuulumista. Vastaavasti 7 112739 kanavalla, jolla esiintyy symbolien välistä ylikuulumista, saavutetaan tyypillisesti parempi suorituskyky kanavakorjain-tyyppisellä ilmaisimella.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus-5 muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

« »

Claims

112739

1. Menetelmä häiritsevän signaalin havaitsemiseen aikajakomoni-käyttö (TDMA) -radiovastaanottimessa, tunnettu siitä, että menetelmässä otetaan vastaanotetusta signaalista näytteitä symbolijaksoittain 5 TDMA-aikavälin yli, muodostetaan modulaationilmaisimella TDMA-aikaväliä tai sen osaa vastaava signaalipolku, määritetään muodostetun signaalipolun virheellisyyttä kuvaava virhe-estimaatti, 10 verrataan virhe-estimaattia ennalta määrättyyn kynnysarvoon ja tunnistetaan häiritsevän signaalin vastaanotto, jos virhe-estimaatti on suurempi kuin ennalta määrätty kynnysarvo.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vertailussa käytetään puoliaikaväliä vastaavan signaalipolun virhe- 15 estimaattia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että signaalipolun virheellisyyttä kuvaavana virhe-estimaattina käytetään yksittäisten symbolijaksokohtaisten näytepisteiden ja niitä vastaavien refe-renssikonstellaatiopisteiden perusteella laskettujen neliöllisten virheiden avulla 20 muodostettua signaalipolun virhemetriikkaa. : 4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että muodostetaan vastaanotetusta aikavälistä tai sen osasta kahdella . tai useammalla rinnakkaisella edullisesti eri tyyppisellä modulaationilmaisi- 25 mella kaksi tai useampia vaihtoehtoisia signaalipolkuja, määritetään kunkin signaalipolun virhe-estimaatti ja valitaan parhaan virhe-estimaatin omaava signaalipolku käytettäväksi vertailussa.

5. Laitteisto häiritsevän signaalin havaitsemiseen aikajakomoni-30 käyttö (TDMA) -radiovastaanottimessa, tunnettu siitä, että laitteisto käsittää välineet näytteiden ottamiseksi (50) vastaanotetusta signaalista symbolijaksoittain TDMA-aikavälin yli ja modulaationilmaisimen (12) TDMA-aikaväliä (20, 21, 22) tai sen 35 osaa vastaavan signaalipolun muodostamiseksi, ja että 112739 laitteisto on sovitettu määrittämään (51) muodostetun signaalipolun virheellisyyttä kuvaava virhe-estimaatti ja vertaamaan (52) virhe-estimaattia ennalta määrättyyn kynnysarvoon, ja että laitteisto on lisäksi sovitettu tunnistamaan (53) häiritsevän signaalin 5 vastaanotto, jos virhe-estimaatti on suurempi kuin ennalta määrätty kynnysarvo.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että se on sovitettu käyttämään vertailussa (52) puoliaikaväliä (20 tai 22) vastaavan signaalipolun virhe-estimaattia.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että signaalipolun virheellisyyttä kuvaavana virhe-estimaattina käytetään yksittäisten symbolijaksokohtaisten näytepisteiden ja niitä vastaavien refe-renssikonstellaatiopisteiden perusteella laskettujen neliöllisten virheiden avulla muodostettua signaalipolun virhemetriikkaa.

8. Patenttivaatimuksen 5, 6 tai 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että se käsittää kaksi tai useampia rinnakkaisia edullisesti eri tyyppisiä modulaationilmaisimia kahden tai useamman vaihtoehtoisen signaalipolun muodostamiseksi vastaanotetusta aikavälistä tai sen osasta, laitteiston ollessa sovitettu määrittämään kunkin signaalipolun virhe-estimaatti ja valitsemaan 20 parhaan virhe-estimaatin omaava signaalipolku käytettäväksi vertailussa. • t 112739