Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenz- und Zeit-Synchronisation
eines Empfängers für den Empfang von OFDM-Signalen, die nach dem Frequenzsprungverfahren
in sprunghaft wechselnden Sendefrequenz-Abschnitten (Hops) übertragen werden.
Zur Datenübertragung finden in der modernen Digitaltechnik sogenannte
Orthogonal Frequency Division and Multiplexing(OFDM)-Systeme Anwendung. Bei diesem
Prinzip wird der digitale Datenstrom vor der Aussendung durch sogenanntes Mapping
in komplexwertige Symbole umgewandelt und in eine Vielzahl von Teilsignalen aufgespalten,
von denen jedes auf einem gesonderten Träger getrennt übertragen wird.
Beim sogenannten DVB-T-(Digital Video Broadcasting)-System werden beispielsweise
1.705 bzw. 6.817 solche Einzelträger benutzt. Im Empfänger werden diese
Teilinformationen wieder zu einer Gesamtinformation des senderseitigen digitalen
Datenstromes zusammengefaßt. Dieses OFDM-System ist bekannt und wird beispielsweise
näher beschrieben in HERMANN ROHLING, THOMAS MAY, KARSTEN BRÜNINGHAUS
und RAINER GRÜNHEID, Broad-Band OFDM Radio Transmission for Multimedia Applications,
Proceedings of the IEEE, Bd. 87, Nr. 10, Oktober 1999, S. 1778 ff.
In der modernen Übertragungstechnik über Funkkanäle
wird zur Kompensation von Fading-Einbrüchen im Kanal oftmals ein sogenanntes
Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping) angewendet, bei dem in sprunghaft wechselnden
Sendefrequenz-Abschnitten (Hops) von beispielsweise nur 5 ms Dauer die Nutzinformation
übertragen wird.
Wenn diese beiden an sich bekannten Systeme kombiniert angewendet
werden und OFDM-Signale nach dem Frequenzsprungverfahren über Funkkanäle
übertragen werden, muß dafür gesorgt werden, daß der Empfänger
exakt bezüglich Frequenz und Zeit auf die in den einzelnen Hops übertragenen
OFDM-Blöcke synchronisiert ist. Durch Bewegung von Sender und/oder Empfänger
bzw. durch Unterschiede in der Frequenz von Sender und Empfänger können
Doppler- und Frequenzverschiebungen der einzelnen Träger des OFDM-Signals entstehen,
die aufgrund der Frequenzagilität nicht konstant sind, sondern sich auf jedem
der aufeinanderfolgenden Frequenzabschnitte entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit
bzw. der Übertragungsfrequenz auf dem jeweiligen Frequenzabschnitt ändern.
Es ist daher erforderlich, daß in jedem der einzelnen aufeinanderfolgenden
Sendefrequenz-Abschnitten der Empfänger exakt auf die einzelnen Träger
des OFDM-Signals bezüglich Frequenz synchronisiert ist.
Außerdem ist darauf zu achten, daß der Empfänger auch
bezüglich Zeit exakt auf den Beginn der OFDM-Signalpakete (OFDM-Blöcke)
synchronisiert ist. Durch Laufzeitunterschiede beispielsweise in Abhängigkeit
von der Entfernung zwischen Sender und Empfänger treffen diese OFDM-Blöcke
nicht immer zur selben Sollzeit am Empfänger ein.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, für einen Empfänger
zum Empfang von OFDM-Signalen, die nach dem Frequenzsprungverfahren übertragen
werden, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem ohne spezielle Synchronisationssequenzen
des Signals, dieser Empfänger auf das OFDM-Signal in jedem Frequenzabschnitt
(Hop) sowohl bezüglich Frequenz als auch bezüglich Zeit synchronisiert
werden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff
des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung wird in jedem Frequenzabschnitt in einer
zweidimensionalen Suchphase vor der eigentlichen Demodulation und Decodierung des
OFDM-Signals im Empfänger – basierend auf einer Auswertung der Qualität
des empfangenen OFDM-Signals bezüglich Frequenz und Zeit – das optimale
Qualitätskriterium hierfür ermittelt und dann der Empfänger auf dieses
so ermittelte optimale Qualitätskriterium synchronisiert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
1 zeigt das Prinzipschaltbild eines Hochfrequenzempfängers
zum Empfang von OFDM-Signalen, die nach dem Frequenzsprungverfahren übertragen
werden. Das in üblicher Weise durch einen analogen Hochfrequenzempfangsteil
E in sprunghaft wechselnden Sendefrequenzabschnitten empfangene OFDM-Signal wird
in einem Analog/Digital-Wandler A/D digitalisiert und in einem Speicher S zwischengespeichert.
Der Empfangsteil E ist in üblicher Weise als Frequenzsprungempfänger ausgebildet,
er kennt das Frequenzsprungschema des Senders und schaltet automatisch beispielsweise
im Rhythmus von z. B. 5 ms zwischen den einzelnen Frequenzen um. Zur digitalen Signalverarbeitung
des OFDM-Signals ist eine zweidimensionale Frequenz- und Zeit-Sucheinrichtung Z
vorgesehen, mittels welcher während einer Suchphase beispielsweise während
eines einzigen Sendefrequenzabschnittes für jeden Abtastwert des A/D-Wandlers
in einem vorbestimmten Frequenzbereich f1 bis f2, in welchem
der nominelle Frequenzwert f0 des Empfängers liegt, das frequenzmäßige
Qualitätskriterium des empfangenen OFDM-Signals bestimmt wird. Gemäß
2 bildet also der Frequenz-Suchbereich zwischen f1
und f2 die eine Dimension des zweidimensionalen Suchbereiches. Die andere
Dimension dieses Suchbereiches bildet ein Zeit-Suchbereich zwischen &tgr;1
und &tgr;2 mit dem nominellen Zeitbeginn &tgr;0 des OFDM-Signals.
In diesem zweidimensionalen Frequenz-Zeit-Suchbereich f1 bis f2
bzw. &tgr;1 bis &tgr;2 wird nun für jeden Punkt jeweils
das Qualitätskriterium des empfangenen OFDM-Signals bestimmt. Die Schrittweite,
mit der der Frequenzbereich f1 bis f2 abgesucht wird, ist
abhängig von der Art des OFDM-Signals und dem zu erwartenden maximalen Unterschied
zwischen nomineller Frequenzlage f0 und tatsächlicher Frequenzlage
fx des Signals. Die Schrittweite in der Zeitachse ist bestimmt durch
die Abtastrate des A/D-Wandlers, die Schrittweite kann ein Vielfaches eines Abtastwertes
betragen. In 2 ist der gesamte Suchbereich schraffiert
dargestellt.
Das Qualitätskriterium des OFDM-Signals während des Suchlaufes
wird vorzugsweise durch eine Maximum-Likelihood-Schätzung bestimmt, indem für
jeden Punkt dieses Frequenz-Zeit-Suchbereiches das OFDM-Signal demoduliert und anschließend
in einem Maximum-Likelihood-Decoder D ausgewertet wird. Hierbei wird vorausgesetzt,
daß der verwendete Code des OFDM-Signals so beschaffen ist, daß der ML-Decoder
für jeden Sendefrequenz-Abschnitt (Hop) eine vollständige Decodierung
durchführen kann. Vorzugsweise werden auf einem Hop terminierende Codes benutzt,
beispielsweise ein BCH-Code oder vorzugsweise auch sogenannte Woven Codes mit einem
äußeren und einem damit verketteten inneren Faltungscode, wie sie beispielsweise
beschrieben sind in Host, S. Johannesson, R. und Zyablov, V.: ”A First encounter
with binary woven convolutional codes”, In. Proc. International Symposium
an Communication Theory and Application, Lake District, UK, Juli 1997 bzw. Host,
S.: On Woven Convolutional Codes. Ph. D. Thesis, Lund University, 1999. ISBN 91-7167-016-5,
http:/www.it.lth.se/stefanh/thesis/. Solche ML-Decoder haben bei ihrer Ausbildung
als sogenannte soft Output-Decoder die Eigenschaft, daß sie als Ergebnis der
Decodierung neben den decodierten Bits auch ein Qualitätskriterium liefern.
Dieses Qualitätskriterium ist bei einem ML-Decoder im allgemeinen die sogenannte
Distanz zwischen dem Eingangssignal des Decoders und dem decodierten Ausgangssignal
des Decoders, meist in Form der euklidischen Distanz. Auch sogenannte APP-Decoder
sind für diesen Zweck geeignet, sie liefern als Qualitätskriterium der
empfangenen OFDM-Signale die a posteriori-Wahrscheinlichkeit, ein Qualitätskriterium,
das ebenfalls für den erfindungsgemäßen Zweck geeignet ist.
Nach Ermittlung der Qualitätskriterien für jeden einzelnen
Punkt des Suchbereiches wird daraus der Punkt mit dem optimalen Qualitätskriterium
der Frequenz fx sowie der Zeit &tgr;x ermittelt, wie dies
in 2 für das momentan empfangene OFDM-Signal schematisch
angedeutet ist. Es ist dann nur noch erforderlich, daß der Empfänger diese
Frequenzdifferenz zwischen fx und f0 ausgleicht und das zwischengespeicherte
OFDM-Signal beginnend mit &tgr;x weiter verarbeitet. Dazu wird das
zwischengespeicherte OFDM-Signal im Zeitbereich mit einer komplexen Schwingung multipliziert,
die gebildet wird aus der Differenz der nominellen Frequenz f0 und der
Frequenz fx für optimales Qualitätskriterium. In der Zeitfensterselektion
F des Empfangskanals werden beginnend mit &tgr;x die Abtastwerte des
eigentlichen Orthogonalitätsintervalls des empfangenen OFDM-Signals in einer
digitalen Auswerteinrichtung A demoduliert und decodiert.
Der Suchbereich muß so gewählt werden, daß der Empfänger
den Hop des Senders korrekt empfangen kann. Nach Abschluß eines ersten Suchlaufes
ist zwar die Frequenz und Zeit ungefähr bekannt und der Empfänger synchronisiert,
aufgrund von Ausbreitungsbedingungen sowie Bewegungen des Senders und/oder des Empfängers
ergeben sich jedoch langsame Driften und Fluktationen, die ebenfalls kompensiert
werden müssen. Da die Lage des OFDM-Signals ungefähr bekannt ist, muß
nach dem ersten Suchlauf während der anschließenden üblichen Nachführphase
des Signals für jeden Hop nicht mehr der gesamte Suchbereich wie beim vorhergehenden
Suchvorgang abgesucht werden, es genügt vielmehr, nur in der Umgebung der vorab
ermittelten optimalen Werte zu suchen und mit Hilfe des Decoders wiederum das Optimum
zu bestimmen und damit dann den Empfänger nachzuführen. Da das Optimum
sich langsam ändern kann, wird während dieser Nachführphase der aufgrund
des optimalen Qualitätskriteriums ermittelte Frequenz- und Zeitwert fx
bzw. &tgr;x über ein adaptives Filter nachgeführt, wobei
vorzugsweise ein sogenanntes Kalman-Filter eingesetzt wird.
Zur Unterstützung des Suchvorgangs kann im OFDM-Signal eine spezielle
Synchronisationssequenz vorgesehen sein, z. B. in Form eines speziellen Bitmusters,
das während eines Hops für den Suchvorgang ausgesendet wird, so daß
dem Empfänger zusätzlich zum Qualitätskriterium auch noch durch Vergleich
des Bitmusters ein weiteres Synchronisationskriterium zur Verfügung steht.
Anstelle des Maximum-likelihood-Kriteriums des Decoders kann in diesem
Fall auch ein direkter Maximum-Likelihood-Vergleich zwischen gesendetem und empfangenen
Signal durchgeführt werden, da das Sendesignal im Empfänger ja bekannt
ist. Diese Symchronisaitonsequenz kann sowohl zu Beginn der Aussendung gesendet
werden als auch periodisch während der laufenden Aussendung.
Das empfangene und zwischengespeicherte OFDM-Signal wird im allgemeinen
im Übertragungskanal mehr oder weniger stark verzerrt. Diese Verzerrungen können
Auswirkungen auf die zweidimensionale Suche haben, d. h. durch eine solche Verzerrung
kann das Optimum des Qualitätskriteriums verschoben werden. Es ist daher vorteilhaft,
das Signal vor der zweidimensionalen Suchauswertung zu entzerren. Dazu sind die
Entzerrer R gemäß 1 vorgesehen, die den ML-Decodern
vorgeschaltet sind und die Signale für jeden Punkt des Suchbereiches entsprechend
entzerren. Eine Möglichkeit der Entzerrung besteht darin, daß hierzu die
mit dem OFDM-Signal übertragenen Pilottöne ausgewertet werden, die im
allgemeinen zur Phasensynchronisation benutzt werden und gemäß der Erfindung
zusätzlich für die Entzerrung eingesetzt werden können. Aufgrund
der bekannten Phasenlagen dieser Pilottöne zueinander sowie deren bekannten
Amplituden können die statischen Kanalverzerrungen in bekannter Weise ermittelt
werden. Der Entzerrer R erhält damit Kenntnis über den Phasen- und Amplitudengang
des Übertragungskanals zwischen Sender und Empfänger und kann das OFDM-Signal
entsprechend entzerren. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß jeder
OFDM-Träger mit einem komplexen Wert multipliziert wird, der dem Amplituden-
und Phasengang des Übertragungskanals entspricht. Wenn die OFDM-Träger
nur mittels Phasen- oder Frequenzmodulation moduliert sind, genügt eine Multiplikation
mit einem Phasenwert, der als Ergebnis der Schätzung des Phasengangs des Übertragungskanals
erhalten wird. Wird der Träger jedoch amplitudenmoduliert, so muß mit
dem Inversen des geschätzten Amplitudenganges multipliziert werden (Division).
Bei kombinierter Amplituden- und Phasenmodulation, wie dies beispielsweise für
höherwertige QAM-Modulationen der Fall ist, muß der betroffene Träger
durch den komplexen geschätzten Wert der Übertragungsfunktion des Übertragungskanals
bei der Trägerfrequenz dividiert werden.
Bei dieser Entzerrung mit Hilfe der Pilottöne wird nicht die
Information des gesamten OFDM-Signals ausgenutzt. Da nach der ersten Schätzung
und Decodierung des OFDM-Signals die decodierte übertragene Nutzinformation
und damit auch infolge der Kenntnis des verwendeten Codes die Prüfinformation
des OFDM-Signals im Empfänger vorliegt, kann durch Wiedercodierung eine zuverlässigere
Information über die Qualität erhalten werden. Das wiedercodierte Daten-Signal
kann nun wieder zu einem OFDM-Signal moduliert werden und es wird wieder eine Distanz
zwischen dem regenerierten Signal sowie dem ursprünglich empfangenen Signal
ermittelt und diese Distanz ist dann direkt ein Maß für den Amplituden-
und Phasengang des Übertragungskanals und kann in einer zweiten Schätzung
anstelle der Kanalinformation, die über die Pilottöne erhalten wurde,
für die Kanalschätzung verwendet werden. Dies ist besonders vorteilhaft
in der Nachführphase des Empfängers. Mit dieser zweifachen Entzerrung,
Demodulation und Decodierung wird die Störsicherheit wesentlich erhöht.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine vollständige
Synchronisation des Empfängers bereits nach einem einzigen Sendefrequenzabschnitt
(Hop). Der zweidimensionale Suchvorgang für die Ermittlung des optimalen Qualitätskriteriums
einschließlich Entzerrung kann gemäß 1
parallel in mehreren entsprechenden Auswertzweigen erfolgen, auch eine serielle
Auswertung nacheinander für die einzelnen Punkte des Suchbereiches ist denkbar.
Anstelle der oben beschriebenen zweidimensionalen Suche kann bei im
Empfänger bekannter und konstanter Empfangsfrequenz auch nur in Zeitrichtung
gesucht werden. Ist die zeitliche Synchronisation im empfänger bekannt und
konstant, so genügt eine Suche im Frequenzbereich.