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Dokumentenidentifikation DE102004008227B4 13.04.2006
Titel Polyphasen-Auswahl in Dezimationseinrichtungen von Mobilfunkempfängern zum Ausregeln einer fraktionalen Verzögerung
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Krüger, Martin, 80995 München, DE;
Denk, Robert, 85567 Grafing, DE
Vertreter Graf Lambsdorff, M., Dipl.-Phys.Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 81673 München
DE-Anmeldedatum 19.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004008227
Offenlegungstag 15.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse H04L 27/01(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H03H 17/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Empfangen und Verarbeiten eines digital modulierten, analogen Empfangssignals in einer Empfangsvorrichtung eines Mobilkommunikationssystems und insbesondere auf ein Verfahren zum Ausregeln einer fraktionalen Verzögerung des Empfangssignals.

Bei Empfangseinrichtungen in Mobilstationen wird das Empfangssignal zunächst in einem Hochfrequenz-Baustein demoduliert. Das entstehende komplexe Signal in äquivalenter Tiefpass-Darstellung wird dann vom Basisband-Baustein weiterverarbeitet. Die mögliche Qualität der Datendetektion hängt dabei von vielen Faktoren ab, z.B. von der Form und Güte des Mobilfunkkanals. Typische Szenarien für Mobilfunkkanäle werden im GSM/EDGE-Standard beschrieben und hängen von der Geschwindigkeit der Mobilstation und der Umgebungstopologie ab. Es wird unterschieden zwischen statischem Kanal und zeitvariablem Kanal, bei welchem sogenanntes Fading festzustellen ist. Ein Beispiel für ein derartiges Übertragungsszenario wird als TU3 (Typical Urban mit Geschwindigkeit 3 km/h) bezeichnet.

Beim Empfangen und digitalen Verarbeiten von Mobilfunksignalen besteht ein generelles Problem darin, dass die zeitliche Verzögerung zwischen dem gesendeten und dem empfangenen und abgetasteten Signal kein ganzzahliges Vielfaches der Symboldauer sein kann. Dies kann unter anderem verursacht werden durch die Zeitveränderlichkeit der Übertragungsbedingungen, der Sendezeitpunkte sowie durch die Abtastzeitpunkte im Empfänger. Es stellt sich heraus, dass die Detektionsqualität – gemessen anhand der Bitfehlerrate – einer Empfangseinrichtung sehr stark von dieser zeitlichen Verzögerung des empfangenen Signals abhängen kann. Dabei ist vor allem eine fraktionale Zeitverzögerung, also der fraktionale Anteil einer Symboldauer von entscheidender Bedeutung, da ganze Symbole durch entsprechende Synchronisationsverfahren kompensiert werden können (siehe hierzu Meyr H., Moeneclay M., Fechtel S.A.: Digital communication receivers: synchronization, channel estimation and signal processing, Wiley, New York 1998). Die Symboldauer im GSM/EDGE-Standard beträgt dabei TS = 6/1.625 &mgr;s = 3.6923 &mgr;s. Die Abhängigkeit der erreichbaren Bit-Fehlerrate von der zeitlichen Differenz zwischen Basisstation und Mobilstation ist am stärksten im Falle eines statischen Kanals, tritt aber auch bei Fading-Kanälen auf.

Wird die fraktionale zeitliche Verzögerung vor der Verarbeitung im Mobilfunkempfänger nicht korrigiert, so erhält man je nach Übertragungssituation sehr stark unterschiedliche Bit-Fehlerraten.

Allgemein lässt sich die zeitliche Verzögerung durch einen Regelkreis ausregeln. Dies kann stufenlos oder quasi stufenlos (Meyr et al., Seite 298 ff.) oder in Stufen in der Größe der Symboldauer erfolgen (Meyr et al., Seite 304 ff.). Um das Problem der erhöhten Bit-Fehlerrate zu lösen, ist eine quasi stufenlose Regelung erforderlich, zumindest aber müssen die Stufen kleiner oder gleich der halben Symboldauer sein.

In einem GSM-Modem muss eine gemeinsame Regelschleife für Sender und Empfänger Veränderungen der Verzögerungszeit ausregeln. Dies erfolgt in der Regel in Schrittweiten von TS, damit möglichst selten nachgeregelt wird und das Transientenspektrum für den Sender im Rahmen der Spezifikation 3GPP TSG GERAN, Technical Specification 45.005 V5.8.0, 2003, bleibt. Daher kann eine fraktionale Verzögerung hiermit nicht ausgeregelt werden. Eine Entkopplung der Verzögerungs-Regelkreise von Sender und Empfänger erfordert zusätzliche Hardware oder Software und ist damit keine kostengünstige Lösung.

Die deutsche Patentschrift DE 101 27 447 C1 offenbart ein Verfahren zum digitalen Verarbeiten eines analogen Datenstroms, bei welchem mittels eines Analog-Digital-Umsetzers ein empfangener analoger Datenstrom zu vorgegebenen Abtastzeitpunkten eines Abtasttaktsignals abgetastet wird und in einen digitalen Datenstrom umgesetzt wird. Der digitale Datenstrom wird in einer Interpolationseinrichtung zum Erzeugen eines interpolierten Datenstroms interpoliert, wobei mindestens ein Symbolwert aus dem interpolierten Datenstrom bestimmt wird, der Symbolwert in einer digitalen Verarbeitungseinrichtung zum Erzeugen eines Phasensteuersignals verarbeitet wird und optimale Abtastzeitpunkte eines Abtasttaktsignals in Abhängigkeit einer Steuerung durch das Phasensteuersignal und in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Taktsignal in einer Berechnungseinrichtung bestimmt werden. Das Verfahren und die entsprechende Schaltungsanordnung sind insgesamt relativ aufwändig, da sowohl mittels eines Steuerwerts eine feinere zeitliche Rasterung der Abtastzeitpunkte des Abtasttaktsignals in der Nähe eines Symbolwerts bereitgestellt wird, als auch in einer Berechnungseinrichtung eine Regelung des Symboltakts bezüglich des Phasensteuersignals erfolgt und Abtastzeitpunkte des Abtasttaktsignals berechnet werden, mit welchen der Analog-Digital-Umsetzer, die Interpolationseinrichtung und die Dezimationseinrichtung beaufschlagt werden.

Die US-PS 5,812,608 beschreibt eine Schaltkreisanordnung und ein Verfahren zur Verarbeitung eines Empfangssignals in einem Mobilkommunikationssystem mit variabler Symboltaktrate. Das Empfangssignal wird in einen digitalen Bitstrom mit einer festen Abtastfrequenz gewandelt, welche höher als die maximal auftretende Symboltaktrate des Empfangssignals ist. Die solchermaßen erhaltene erste Bitwertfolge wird in einem Lagrange-Interpolator gefiltert, um eine zweite Bitwertfolge bei einer Abtastrate zu erhalten, welche im Wesentlichen der Symboltaktrate des Empfangssignals entspricht. Insbesondere aufgrund der komplizierten Berechnungen der Filterkoeffizienten bei der Nachführung können durch dieses Verfahren im Falle von burstweiser Signalübertragung Änderungen der Verzögerungszeit nicht von Burst zu Burst ausgeregelt werden.

Aus der Druckschrift WO 94/28657 ist eine digitale Empfangsvorrichtung zum Empfangen eines digital modulierten Empfangssignals bekannt, in welcher zunächst aus dem Empfangssignal ein überabgetasteter digitaler Bitstrom erzeugt wird und der digitale Bitstrom anschließend einer Dezimationseinrichtung mit einstellbarer Polyphase zugeführt wird. Dabei ist vorgesehen, dass die fraktionale Verzögerung geschätzt wird und in Abhängigkeit von dem Schätzwert die Polyphase der Dezimationseinrichtung eingestellt wird.

Es ist dementsprechend Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausregeln einer fraktionalen Verzögerung eines Empfangssignals in einer Empfangsvorrichtung eines Mobilkommunikationssystems anzugeben, mit welchem die fraktionale Verzögerung mit verhältnismäßig einfachen Mitteln und gleichzeitig hoher Reaktionsgeschwindigkeit, insbesondere bei burstweisen Signalübertragungsverfahren ausgeregelt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass im digitalen Frontend eines Mobilfunkempfängers, insbesondere eines GSM/EDGE-Empfängers, Dezimationseinrichtungen mit einstellbarer Polyphase eingesetzt werden, bei denen die Polyphase auf relativ einfache Weise ausgewählt werden kann. Dies eröffnet die Möglichkeit, solche Dezimationseinrichtungen in geeigneter Weise in Abhängigkeit von einer geschätzten fraktionalen Verzögerung anzusteuern, um die Polyphase zur Ausregelung der fraktionalen Verzögerung einzustellen. Als Kenngröße für die Ansteuerung der Dezimationseinrichtung kann der Schätzwert der fraktionalen Verzögerung verwendet werden.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit zunächst aus einem Empfangssignal ein überabgetasteter digitaler Bitstrom erzeugt und der digitale Bitstrom einer Dezimationseinrichtung zugeführt. Die fraktionale Verzögerung wird durch ein geeignetes Schätzverfahren geschätzt und in Abhängigkeit von einem Schätzwert D der fraktionalen Verzögerung wird die Polyphase der Dezimationseinrichtung eingestellt.

Die fraktionale Verzögerung kann beispielsweise in einem Entzerrer der Empfangsvorrichtung geschätzt werden. Von dem Entzerrer kann der Schätzwert beispielsweise einem Mikrocontroller übergeben werden, welcher daraufhin ein entsprechendes Steuersignal an die Dezimationseinrichtung zur Einstellung der Polyphase übermittelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in Mobilkommunikationssystemen zur Anwendung kommen, in denen die Signalübertragung burstweise erfolgt, wobei dann die fraktionale Verzögerung anhand eines aktuellen Bursts geschätzt wird und der Schätzwert D für die Verarbeitung des nächstfolgenden Bursts herangezogen wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass die fraktionale Verzögerung durch Mittelung über die aus dem aktuellen Burst und einer Anzahl vorhergehender Bursts erhaltenen Schätzwerte D oder daraus abgeleiteter Werte oder Funktionen gewonnen wird. Eine derartige Mittelung über mehrere Schätzwerte D kann durch ein IIR-Filter (Infinite Impulse Response) erster Ordnung durchgeführt werden, wobei insbesondere die Koeffizienten des IIR-Filters in Abhängigkeit von der geschätzten Empfangsgüte eingestellt werden. Bei der Mittelung kann auch vorgesehen sein, dass einzelne Bursts aufgrund von schlechter Empfangsqualität entweder überhaupt nicht oder nur mit geringerer Gewichtung berücksichtigt werden.

Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass in der Dezimationseinrichtung zunächst eine bestimmte Anfangspolyphase fest eingestellt wird und dann in Abhängigkeit von dem Schätzwert D der fraktionalen Verzögerung die Polyphase der Dezimationseinrichtung ausgehend von der fest eingestellten Anfangspolyphase entweder beibehalten oder geändert wird. Da das Empfangssignal zweifach überabgetastet wird, sind in der Dezimationseinrichtung zwei Polyphasen (0 oder 1) einstellbar und eine dieser beiden Polyphasen wird als Anfangspolyphase fest eingestellt.

Der Schätzwert D der fraktionalen Verzögerung wird mit einer vorgegebenen Zeitgranularität ermittelt. In einer weiter unten dargelegten Ausführungsform wird eine Zeitgranularität von TS/8 (TS Symboldauer) gewählt und auf der Basis einer zweifachen Überabtastung des Empfangssignals und demzufolge zweier einstellbarer Polyphasen eine einfache Gütefunktion für die Entscheidung über die Einstellung der Polyphase aufgestellt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer einzigen Zeichnungsfigur und eines darin dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der einzigen Zeichnungsfigur ist ein Kreisdiagramm der Werte der fraktionalen Verzögerung (Zeitgranularität TS/8) zur Veranschaulichung der Modulo-Rechnung dargestellt.

Die Erfindung beruht auf der Tatsache, dass die Bit-Fehlerrate eine Funktion der zeitlichen Verzögerung ist. Dabei stellen sich Verzögerungswerte, die nahe bei ganzen Vielfachen einer Symboldauer liegen, als besonders günstig heraus. Des weiteren nutzt die Erfindung aus, dass im digitalen Frontend eines GSM/EDGE-Empfängers in der Regel Dezimatoren eingesetzt werden, deren Polyphase teilweise einfach ausgewählt werden kann.

Im Folgenden wird von einer Überabtastung des Eingangssignals um einen Faktor 2 und eine Schätzung der fraktionalen Verzögerung durch den GSM/EDGE-Entzerrer mit einer Zeitgranularität von TS/8 ausgegangen.

Es sind bereits GSM/EDGE-Entzerrer bekannt, mit denen eine relativ genaue Schätzung der fraktionalen Verzögerung vorgenommen wird. Entsprechende Schätzverfahren sind dem Fachmann bekannt und brauchen vorliegend nicht erörtert zu werden. Der von dem Entzerrer ausgegebene Schätzwert für die fraktionale Verzögerung soll nun als Kenngröße verwendet werden, um die Polyphase der Dezimationseinrichtung einzustellen, d.h. diese ausgehend von der fest eingestellten Anfangspolyphase beizubehalten oder umzuschalten.

Da das Eingangssignal des Dezimators doppelt überabgetastet ist, gibt es zwei Polyphasen, die mit 0 und 1 bezeichnet werden. Ausgehend von einer fest eingestellten Anfangspolyphase (hier etwa Polyphase 0) empfängt nun der GSM/EDGE-Empfänger das Signal, detektiert die Daten des ersten Bursts und schätzt dabei die fraktionale Verzögerung.

In der einzigen Zeichnungsfigur sind die dabei auftretenden Werte der fraktionalen Verzögerung dargestellt, wobei die Verzögerungswerte zur Veranschaulichung der Modulo-Rechnung auf einen Kreis abgebildet sind. Es können Verzögerungswerte als gut angesehen werden, die Modulo 8 nahe bei der 0 sind. Falls also die von dem GSM/EDGE-Entzerrer gemeldete Verzögerung einen der Werte 0, 1 oder 7 besitzt, sollte die Polyphase beibehalten werden. Falls die Verzögerung jedoch einen der Werte 3, 4 oder 5 besitzt, muss die Polyphase gewechselt werden. Die Verzögerungen 2 und 6 sind Grenzfälle, bei denen die Bit-Fehlerrate bei beiden Polyphasen annähernd gleich ist. Mathematisch lässt sich die Güte einer Verzögerung durch den Abstand von 0 beschreiben, wobei Modulo 8 gerechnet wird. Man erhält somit z.B. eine Gütefunktion der Form f(D) := |(D mod 8) – 4| – 2, hierbei ist D die geschätzte fraktionale Verzögerung ("Delay") des aktuellen Bursts. Die Gütefunktion f(D) kann Werte zwischen –2 und 2 annehmen, wobei –2 für D = 4 angenommen wird und +2 für D = 0 angenommen wird. Die Polyphase muss nun genau dann gewechselt werden, wenn f(D) < 0 ist. Mit Hilfe dieser Gütefunktion erhält man eine skalare Größe, die auch gemittelt werden kann, wie weiter unten noch erläutert werden wird.

Eine Erweiterungsmöglichkeit besteht darin, nicht den Wert 0 sondern einen anderen Wert D0 als günstigsten Wert vorzugeben, so dass die Gütefunktion die Form f(D) := |((D – D0) mod 8) – 4| – 2 annimmt. Der Vorteil dieser Normierung liegt darin, dass auf diese Weise durch geeignete Wahl des Wertes D0 keine Wechselwirkung mit einer äußeren TS-stufigen Regelschleife auftritt.

Da die Zeitgranularität allgemein TS/N betragen kann, können die obigen Formeln für die Gütefunktion auch in folgender Form verallgemeinert werden f(D) := |(D mod N) – N/2| – N/4 oder f(D) := |((D – D0) mod N) – N/2| – N/4 wobei D der aktuell ermittelte Schätzwert in Einheiten von TS/N ist.

Die Schätzung der fraktionalen Verzögerung ist aufgrund von Rauschen im Eingangssignal mit Fehlern behaftet. Damit wird auch nicht in jedem Fall die bessere Polyphase gewählt werden. Um die Qualität der Schätzung der fraktionalen Verzögerung zu verbessern, bietet sich eine Mittelung über mehrere Bursts an. Dies kann z.B. durch Filterung mit einem einfachen IIR-Filter erster Ordnung und einem geeignet zu wählenden sogenannten "Vergissfaktor" (Forgetting Factor) geschehen. Dieser bei digitalen Filtern an sich bekannte Vergissfaktor dient dazu, den Beitrag einzelner Daten abzuschwächen. Im vorliegenden Fall kann dieser Vergissfaktor dafür eingesetzt werden, den Beitrag einzelner Bursts zur Gütefunktion aufgrund einer geschätzten schlechten Empfangsgüte abzuschwächen oder gänzlich zu verwerfen. Dazu kann der Vergissfaktor in Abhängigkeit von der geschätzten Empfangsgüte für jeden Burst geeignet eingestellt werden.

Die vorliegend beschriebene Ausführungsform beinhaltet somit eine Regelschleife, bei der im aktuellen Burst die fraktionale Verzögerung geschätzt wird und daraufhin die Polyphase für den nächsten Burst entsprechend eingestellt wird. Grundlage dafür ist auch die Tatsache, dass die Polyphase sich von einem Burst zum nächsten nur wenig ändert, so dass der Schätzwert des letzten Bursts (bzw. eine Mittelung der Schätzwerte der vergangenen Bursts) noch signifikante Informationen für den nächsten Burst enthält.

Im Falle von Frequency-Hopping und/oder Fading-Kanälen ändert sich die fraktionale Verzögerung grundsätzlich von Burst zu Burst. Aber selbst dann bringt die oben beschriebene Regelschleife im Mittel eine deutliche Verbesserung in der Bit-Fehlerrate. Falls das Rauschen bzw. das Interferenz-Signal sehr groß ist, werden die Schätzwerte für die fraktionale Verzögerung unzuverlässig und entsprechende Bursts sollten bei der Mittelung gar nicht oder nur wenig berücksichtigt werden. Dies kann durch Adaption des "Vergissfaktors" in Abhängigkeit von der vom Entzerrer geschätzten Empfangsgüte erfolgen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Ausregeln einer fraktionalen Verzögerung eines digital modulierten, analogen Empfangssignals in einer Empfangsvorrichtung eines Mobilkommunikationssystems, bei welchem

    – aus dem Empfangssignal ein überabgetasteter digitaler Bitstrom erzeugt wird,

    – der digitale Bitstrom einer Dezimationseinrichtung mit einstellbarer Polyphase zugeführt wird,

    – die fraktionale Verzögerung geschätzt wird und in Abhängigkeit von dem Schätzwert (D) die Polyphase der Dezimationseinrichtung eingestellt wird,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – das Empfangssignal zweifach überabgetastet wird und in der Dezimationseinrichtung zwei Polyphasen (0 oder 1) einstellbar sind,

    – der Schätzwert (D) der fraktionalen Verzögerung mit einer Zeitgranularität von TS/N (TS Symboldauer) ermittelt wird,

    – eine Gütefunktion der Form f(D) := |(D mod N) – N/2| – N/4, oder f(D) := |((D – D0) mod N) – N/2| – N/4 berechnet wird, wobei D der aktuell ermittelte Schätzwert in Einheiten von TS/N ist und D0≠ 0 und derart gewählt ist, dass keine Wechselwirkung mit einer äußeren TS-stufigen Regelschleife auftritt,

    – für f(D) < 0 die Polyphase gewechselt wird und ansonsten die Polyphase beibehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – die fraktionale Verzögerung in einem Entzerrer der Empfangsvorrichtung geschätzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – die fraktionale Verzögerung durch Mittelung über die aus dem aktuellen Burst und einer Anzahl vorhergehender Bursts erhaltenen Schätzwerte (D) oder über aus den Schätzwerten abgeleiteten Größen gewonnen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – die Mittelung über die Schätzwerte (D) mit einem IIR-Filter erster Ordnung durchgeführt wird, wobei insbesondere die Koeffizienten des IIR-Filters in Abhängigkeit von der geschätzten Empfangsgüte eingestellt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – in Abhängigkeit von dem Schätzwert (D) die Polyphase der Dezimationseinrichtung ausgehend von einer fest eingestellten Anfangspolyphase beibehalten oder geändert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – N = 8 ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – das Empfangssignal zweifach überabgetastet wird und in der Dezimationseinrichtung zwei Polyphasen (0 oder 1) einstellbar sind.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – der Schätzwert (D) mit einer vorgegebenen Zeitgranularität ermittelt wird.
  9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – der Schätzwert (D) der fraktionalen Verzögerung mit einer Zeitgranularität von TS/N (TS Symboldauer) ermittelt wird,

    – eine Gütefunktion der Form f(D) := |(D mod N) – N/2| – N/4 berechnet wird, wobei D der aktuell ermittelte Schätzwert in Einheiten von TS/N ist, und

    – für f(D) < 0 die Polyphase gewechselt wird und ansonsten die Polyphase beibehalten wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – N = 8 ist.
  11. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – eine Gütefunktion der Form f(D) := |((D – Da) mod N) – N/2| – N/4 berechnet wird, wobei D der aktuell ermittelte Schätzwert in Einheiten von TS/N ist und D0 ≠ 0 und derart gewählt ist, dass keine Wechselwirkung mit einer äußeren TS-stufigen Regelschleife auftritt, und

    – für f(D) < 0 die Polyphase gewechselt wird und ansonsten die Polyphase beibehalten wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – N = 8 ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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