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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen digitale Kommunikationssysteme
und spezieller eine adaptive Signalentzerrung in digitalen Kommunikationssystemen.
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Stand der
Technik
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In
einem digitalen Kommunikationssystem werden Signale normalerweise über Kanäle übertragen,
die eine begrenzte Bandbreite aufweisen. Solche Kanäle mit begrenzter
Bandbreite zur schnellen Datenübertragung
führen
zur Symbolinterferenz (ISI). Drahtleitungskanäle sind ebenfalls frequenzselektivem
Fading ausgesetzt, wobei drahtlose Kanäle eine Mehrwege-Signalausbreitung
erfahren. Darüber hinaus
ist der Frequenzgang der Kanäle
normalerweise in den meisten digitalen Kommunikationssystemen nicht
von vornherein bekannt. Dies erschwert den Entwurf von optimalen
Filtern für
Modulatoren und Demodulatoren. Außerdem sind Frequenzgang-Eigenschaften
für die
meisten praktischen Kanäle
zeitvariabel, so dass es nicht möglich
ist, optimale Filter mit fester Demodulation auszulegen.
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Die
Lösung
für das
Problem von Symbolinterferenz ist, einen Receiver auszulegen, der
Mittel zum Kompensieren oder Reduzieren der Symbolinterferenz in
dem empfangenen Signal einsetzt. Der Kompensator für die Symbolinterferenz
wird Entzerrer genannt. Es sind viele Typen von Entzerrern für praktische
digitale Kommunikationssysteme bekannt wie Entzerrer, die auf der
Maximum-Likelihood-Schätzung
(ML) basieren, Entzerrer mit linearer Filterung mit einstellbaren
Koeffizienten, Entzerrer mit Entscheidungs-Rückkopplung (DFE), usw., siehe
J. G. Proakis, Digital Communications, vierte Ausgabe, McGraw-Hill,
New York, 2001.
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Damit
sie für
unbekannte Kanäle
genutzt werden können,
sind die Entzerrer normalerweise auf das Ansprechen des Kanals einstellbar
und sind für
zeitvariable Kanäle
anpassungsfähig
an die zeitlichen Änderungen
in der Impulsantwort des Kanals (CIR). Dieses Verfahren wird adaptive
Entzerrung des über
den Kanal empfangenen Signals genannt.
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Zum
adaptiven Entzerren wird wegen seiner rechnerischen Einfachheit
am häufigsten
der Prozess der kleinsten mittleren Quadrate (LMS) verwendet. Der
LMS-Prozess basiert auf der Minimierung des mittleren quadratischen
Fehlers (MSE) zwischen einem übertragenen
Signal und einem Schätzwert dieses
Signals an einem Ausgang des Entzerrers.
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Der
hauptsächliche
Nachteil des LMS-Prozesses besteht darin, dass die Konvergenzrate
abhängig
ist von der Eigenwert-Verbreitung
der Autokorrelationsmatrix des empfangenen Signals. Außerdem benötigt der
LMS-Prozess eine relativ lange Sequenz von Symbolen in einem Trainingssignal
während
einer Trainingsstufe.
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Damit
eine schnellere Konvergenz erreicht wird, kann man den Prozess des
rekursiven kleinsten Quadrates (RLS) nutzen. Weil dieser Prozess
die Leistung des übertragenen
Signals schätzen
muss, ist er komplizierter und schließt zusätzliche Parameter ein. Dieses
Verfahren kann außerdem
das Problem des „Übersteuerns" oder „außerhalb
der Konvergenz" einführen, wenn
die empfangene Sequenz von Symbolen im Trainingssignal nicht lang
genug ist, um eine genaue Leistungsbewertung vorzunehmen, siehe
S. Chern, J. Horng und K. M. Wong, „Die Leistung des adaptiven
LMS Hybridalgorithmus",
Signal Processing, Bd. 44, Nr. 1, S. 67–88, Juni 1995. Normalerweise
tritt dieses Problem tritt während
der ersten Trainingsstufe, besonders dann wenn der Wert der Schrittgröße hoch
ist, auf.
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Die
Druckschrift
US 5 155
742 A offenbart einen Receiver zur Verwendung in einem
digitalen Kommunikationssystem über
Funk nach TDM/TDMA, der einen Entzerrer enthält, um Kanalverzerrung auf
Grund einer Mehrwege-Laufzeitstreuung zu kompensieren. Mit jeder
Impulsfolge von Informationen wird bei einem Mehrfachen der Symbolrate
eine Überabtastung
vorgenommen und in einem Pufferspeicher gespeichert. Eine Schätzfunktion
der Verbindung verarbeitet die gespeicherte Impulsfolge, indem eine
bekannte Trainingssequenz von Bits innerhalb der Impulsfolge bearbeitet
wird, um eine Impulsfolgen-Steuerung (wo die Impulsfolge tatsächlich beginnt)
und die Symbolsteuerung (die für
Erfassungszwecke zu verwendende optimale Abtastung pro Symbol mit Überabtastung)
zu bestimmen. Die Schätzfunktion
bestimmt außerdem,
ob die gespeicherte Impulsfolge in einer Reihenfolge in Richtung der
Zeit oder der Zeit entgegengesetzt verarbeitet werden sollte. Die
Schätzfunktion
der Verbindung umfasst mehrere Trainings-Entzerrer, von denen jeder
einer angenommenen Impulsfolgenstelle zugeordnet ist und von denen
jeder versucht, sich der bekannten Trainingssequenz als der gespeicherten
Sequenz anzunähern,
wenn die gespeicherte Sequenz mehrere Male durch die Entzerrer in
einer Reihenfolge sowohl in Richtung der Zeit als auch der Zeit
entgegengesetzt in Umlauf gebracht wird. Die Impulsfolgen- und Symbolsteuerung
sowie die optimale Reihenfolge der Verarbeitung werden von der Stelle
des Trainings-Entzerrers bestimmt, der zu dem kleinsten mittleren
quadratischen Fehler konvergiert.
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Außerdem ist
aus der Druckschrift
GB
2 242 597 A ein adaptiver Entzerrer bekannt, der ein empfangenes
Signal, das eine vorbestimmte Anzahl von Drehsymmetriegraden, wie
zum Beispiel ein QPSK-Signal oder 16 QAM-Signal, und periodische, vorbestimmte
Symbolsequenzen für
erneutes Training aufweist.
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Während des
erneuten Trainings wird ein paralleler, adaptiver Entzerrer für jeden
Symmetriegrad (N) initialisiert. Die bekannte Sequenz, die um jeweils das
Mehrfache von 2π/N,
von 0 bis 2π(N – 1)/N rotiert wurde,
wird in die entsprechenden Entzerrer eingeleitet. Am Ende der Periode
des erneuten Trainings wird der effektivste Entzerrer zur weiteren
Entfernung des empfangenen Signals ausgewählt, so dass eine Phasen-Vieldeutigkeiten,
die während
des Fading auftreten könnten, überwunden
werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Systems und Verfahrens von reduzierter Komplexität, die die Entzerrung eines
Signals, das über
einen Kanal eines Kommunikationssystems empfangen wird, zu verbessern.
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Darstellung
der Erfindung
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Diese
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch ein Verfahren, das die Merkmale von Anspruch 1 aufweist
bzw. ein System, das die Merkmale von Anspruch 4 aufweist, gelöst. Bevorzugte
Ausführungen
dieses Verfahrens und dieses Systems sind in den entsprechenden
Unteransprüchen
definiert.
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Die
Erfindung stellt ein System und ein Verfahren bereit, das adaptive
Entzerrer mit einer Trainingssignal-Zirkulation zur Signal-Entzerrung
in digitalen Kommunikationssystemen kombiniert. Bei Zirkulation
des Trainingssignals verbessert die Erfindung die Gesamtleistung
von adaptiven Entzerrern mit reduzierter Komplexität und langsamen
Konvergenzraten, insbesondere, wenn in dem Trainingssignal eine
kurze Sequenz von Symbolen verwendet wird. Diese Erfindung kann
bei Entzerrern mit langsamen Konvergenzraten verwendet werden, sie
kann aber auch bei anderen Typen von Entzerrern mit kurzen Sequenzen
von Symbolen des Trainingssignals effektiv eingesetzt werden.
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Spezieller
stellt die Erfindung ein Verfahren und ein System bereit, um ein über einen
Kanal eines Kommunikationssystems übertragenes Signal zu entzerren.
Ein über
den Kanal empfangenes Eingangsignal wird in einem Hauptpuffer gespeichert. Ein
Teil des Trainingssignals des empfangenen Eingangsignals wird in
einem Schleifenpuffer als ein zirkulierendes Trainingssignal gespeichert.
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Ein
mittlerer quadratischer Fehler des Trainingssignals und ein Schätzwert des übertragenen Signals
werden minimiert, bis der mittlere quadratische Fehler kleiner als
ein vorbestimmter Schwellenwert ist. In diesem Fall wird das über den
Kanal empfangene und in dem Hauptpuffer gespeicherte Eingangsignal
direkt entzerrt, um Entscheidungen hinsichtlich der Symbole des über den
Kanal übertragenen
Signals vorzunehmen. Während
einer Anfangsstufe des Trainings wird der mittlere quadratische Fehler
direkt aus dem Trainingssignal bestimmt. Während der anschließenden Trainingsstufen
wird das zirkulierende Trainingssignals verwendet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockbild von Komponenten eines Receivers, der die Erfindung
nutzen kann;
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2 ist
das Blockbild eines Receivers, der zur Zirkulation eines Trainingssignals
gemäß der Erfindung
angepasst ist; und
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3 ist
ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen adaptiven Entzerrverfahrens.
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Beste Art
und Weise zur Ausführung
der Erfindung
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Die
Erfindung stellt Mittel bereit, um die Konvergenz-Eigenschaften von
Entzerrern des LMS-Typs mit einer kurzen Sequenz von Symbolen in
einem Trainingssignal zu verbessern, indem das Trainingssignal zirkuliert
wird, während
ein erster Schätzwert
der Kanal-Impulsantwort vorgenommen wird. Mit einer Zirkulation
des Trainingssignals können
LMS-Entzerrer eine konvergente Stufe oder einen ständigen Zustand
erreichen, obwohl die Sequenz von Symbolen in dem Trainingssignal
sehr kurz ist. Deshalb weisen das erfindungsgemäße System und Verfahren die
geringe Rechnungskomplexität
von LMS-Entzerrern und die Leistung im Dauerzustand von RLS-Entzerrern
auf. Im Grunde genommen nutzt die Erfindung die folgenden Hauptfunktionen:
eine Zirkulationsauslösevorrichtung
mit einem vorbestimmten Schwellenwert, welcher der Soll-Fehlerwert
des Fehlersignals ist, d. h. der mittlere quadratische Fehler (MSE),
eine Zirkulation des Trainingssignals und einen Generator für eine gewünschte Antwort
und eine Auswahl. Diese Erfindung kann mit einem LMS-Entzerrer und
auch mit anderen Entzerrertypen und kurzen Sequenzen von Symbolen
in dem Trainingssignal eingesetzt werden.
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Adaptiver
Entzerrer
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1 zeigt
einige der Komponenten eines Receivers 100, der die Erfindung
nutzen kann. Der Receiver enthält
den adaptiven Entzerrer 110, die Entscheidungsvorrichtung 120,
das Rückkopplungsfilter 130 und
die Addierschaltung 140. Das Eingangsignal 101 zum
Receiver 100 ist die verzerrte Version eines übertragenen
Signals mit Rauschen. Das Ausgangssignal 102 ist eine Entscheidung 102.
Im Allgemeinen nutzt der Entzerrer 110 ein adaptives, lineares
Filter mit einstellbaren Lastkoeffizienten. Für einen LMS-Entzerrer werden
die Lastkoeffizienten der Abgriffe des Entzerrers 110 rekursiv
wie folgt eingestellt w1(n + 1) = w1(n)
+ μe(n)·νi(n) (1)für i = I,
..., N, wobei N eine Länge
des Entzerrers, w der Lastvektor des Abgriffs, n ein Zeitindex, μ eine Schrittgröße, e ein
Fehlersignal und ν das
Eingangssignal 101 ist. Das in den Entzerrer eingegebene Fehlersignal
wird durch die Addierschaltung 140 gemäß e(n) = d(n) – y(n), (2)erzeugt,
wobei y(n) ein Ausgangssignal des adaptiven Entzerrers 110 und
d(n) ein Ausgang des Rückkopplungsfilters 120 ist.
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Im
Allgemeinen wird die gewünschte
Antwort 103 ausgewählt,
indem eine Sequenz von Symbolen in einem Trainingssignal während einer
Trainingsstufe und das Eingangssignal in einer Entzerrungsstufe genutzt
werden. Für
eine vereinfachte Entzerrungsstruktur kann das Rückkopplungsfilter 130 parallel geschaltet
werden. In diesem Fall ist das Fehlersignal e(n) eine Differenz
zwischen der gewünschten Antwort 103 und
dem Ausgangssignal 102 des adaptiven Entzerrers.
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Adaptiver
Entzerrer mit Zirkulation des Trainingssignals
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2 zeigt
einige der Komponenten eines Receivers 200 mit Zirkulation
des Trainingssignals gemäß der Erfindung.
Diese Komponenten umfassen eine Hauptpuffer 210 zum Speichern
und Bereitstellen eines Eingangssignals 201 zu einem Schalter 220.
Der Schalter 220 empfängt
außerdem
ein Eingangssignal von einem Zirkulationspuffer 230. Die Größe des Zirkulationspuffers
entspricht der Größe der Sequenz
von Symbolen in dem Trainingssignal.
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Der
Zirkulationspuffer 230 wird während einer ersten Trainingsstufe
mit einem eingegebenen Trainingssignal gefüllt. Das eingegebene Trainingssignal
wird auch in eine Entzerrung- und
Entscheidungsvorrichtung 240 eingeleitet. Der Receiver
enthält
außerdem
einen mit der Vorrichtung 240 gekoppelten Generator 250 für eine gewünschte Antwort und
eine Zirkulations-Triggerstufe 260, die den Schalter 220 und
den Generator 250 für
eine gewünschte
Antwort steuert. Das Ausgangssignal 202 sind Entscheidungssymbole,
wobei der Generator für eine
gewünschte
Antwort das Ausgangssignal aus den Trainingssymbolen 203 in
der Trainingsstufe und den Entscheidungssymbolen 202 in
der Entzerrungsstufe auswählt.
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Wie
oben beschrieben ist, benötigt
der LMS-Entzerrer im Allgemeinen eine längere Sequenz von Trainingssymbolen
als der ALS-Entzerer. Wenn das Trainingssignal zu kurz ist, arbeitet
der LMS-Entzerrer während
der Anfangsstufe der Entzerrung nicht gut. Wenn die Anfangskoeffizienten
des Filters jedoch im Wesentlichen in der Nähe des Dauerzustandes liegen,
kann der Entzerrer dennoch den konvergenten Zustand erreichen, selbst
wenn die Trainingsfolge kurz ist.
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In
einem praktischen System kann man die optimalen Filterkoeffizienten
der Anfangsauswahl nicht vorhersagen, weil die Impulsantwort des
Kanals nicht vor der Trainingsstufe bekannt ist. Auf der Basis des
oben Erwähnten
wird mit der Erfindung das empfangene Trainingssignal während der
Trainingsstufe als Eingangssignal zum Entzerrer zirkuliert, und
die während
der ersten Trainingsiteration erhaltenen Koeffizienten können als
die Anfangskoeffizienten während
der nachfolgenden Trainingsiterationen verwendet werden. Deshalb
nähern
sich die Anfangskoeffizienten des Filters den optimalen Filterkoeffizienten
im Dauerzustand, und der Entzerrer kann in der Nähe des optimalen Lastvektors
w in der Entzerrungsstufe arbeiten, selbst wenn die Sequenz von
Symbolen in dem Trainingssignal kurz ist.
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Arbeitsweise
des Systems
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Wie
in 3 gezeigt ist, arbeitet der Receiver 200 während des
Betriebs in einer ersten und nachfolgenden Trainingsstufen 310 und
in einer Entzerrungsstufe 330. Während der ersten Trainingsstufe 310 wählt der
Schalter 220 das Ausgangssignal aus dem Hauptpuffer 210 als
das erste Eingangssignal 201 an die Vorrichtung 240 und
den Zirkulationspuffer 230. Der Hauptpuffer speichert die über einen Kanal
eines Kommunikationssystems empfangenen Daten.
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Während der
Trainingsstufe 310 wählt
der Generator 250 für
eine gewünschte
Antwort die Trainingssequenz 203 als Ausgangssignal und
die Entscheidungssymbole 202 für die Entzerrungsstufe aus.
Während
der ersten Iteration (i = 1) der Trainingsstufe 310 werden
die MSE der Trainingsfolge 301 und ein Schätzwert des übertragenen
Trainingssignals bestimmt. Die Zirkulations-Triggerstufe 260 vergleicht
die MSE mit einem Schwellenwert T 303, der aus einer Soll-MSE
vorbestimmt ist.
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Im
Schritt 315, wenn die MSE größer ist als der vorbestimmte
Schwellenwert T 303, hat der Receiver noch nicht konvergiert,
und es ist eine zusätzliche
Trainingsstufe 310 notwendig.
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Deshalb
wird eine Zirkulation 320 des Trainingssignals ausgelöst, und
der Receiver gibt die i-te Iteration der Trainingsstufe 310 ein,
wobei i > 1 ist. Jetzt
wählt der
Schalter 220 das Ausgangssignal aus dem Zirkulationspuffer 230 als
das Eingangssignal in den Entzerrer 240, und es wird die
nächste
Trainingsiteration hinsichtlich des zirkulierenden Trainingssignals 301 ausgeführt. Die
Iterationen eines nachfolgenden Trainings bestimmen die MSE des
zirkulierenden Trainingssignals und wiederholen sie, bis die MSE
kleiner ist als der vorbestimmte Schwellenwert T 303.
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Wenn
die Anforderung an den Schwellenwert erfüllt ist, tritt der Receiver 200 in
die Entzerrungsstufe 330 ein. Während der Entzerrungsstufe 330 wird
der Zirkulationspuffer 230 nicht genutzt, und der Entzerrer
nutzt das empfangene Eingangssignal 302 direkt, um Entscheidungen
hinsichtlich der Symbole des über
den Kanal übertragenen
Signals zu treffen.
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Obwohl
die Erfindung durch Beispiele bevorzugter Ausführungen beschrieben worden
ist, soll verständlich
werden, dass verschiedene andere Anpassungen und Modifizierungen
innerhalb des Umfangs der Erfindung vorgenommen werden können. Deshalb
ist es Aufgabe der angefügten
Ansprüche, alle
diese Änderungen
und Modifikationen, wie sie im wahren Umfang der Erfindung vorkommen,
zu erfassen.