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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Signalregenerierung. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf die Regenerierung eines übertragenen Signals,
insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf die Art von Signal,
das durch Zellularbasisstationen übertragen wird, wobei die Signale
in Mobil- oder Zellulartelefonnetzsystemen verwendet werden.
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Mobiltelefonsysteme
beinhalten in der Regel ein Netz von Basisstationen. Die Signale
werden an/von Mobilteile(n) eines Anwenders (Teilnehmers) übertragen,
um Telefondienste und andere Dienste bereitzustellen.
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Die
Betriebsreichweite von Basisstationen bei den zuvor erwähnten Mobil-
oder Zellulartelefonnetzsystemen liegt typischerweise bei 10 bis
20 Kilometer (km).
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Typischerweise
liegen derartige Signale, die durch Basisstationen übermittelt
werden, in der Größenordnung
von ein paar Dutzend oder sogar Hunderten von Watt. Die Frequenz
der Signale liegt in der Regel im niedrigen Mikrowellenbereich des
elektromagnetischen Spektrums, typischerweise um den Bereich von
1 GHz bis 2 GHz. Dieser Bereich von Frequenzen ist in GSM-Mobiltelefonnetzen
zu finden. Es versteht sich jedoch, dass die Betriebsreichweite von
Frequenzen in anderen Signalübertragungs-/Rundfunksystemen
unterschiedlich sein kann.
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Andere
Systeme, auf die diese Technik angewendet werden kann, umfassen:
zum Beispiel digitale Hörrundfunksysteme
(DAG-Systeme), Codemultiplex-Vielfachzugriff (CDMA), Kommunikationssysteme
der Quadraturphasenumtastung (QPSK), HIPERLAN-Netze (High Performance
Radio Local Area Networks); und UMTS-Telefonnetze (Universal Mobile
Telecommunication Systems).
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Es
ist wichtig, dass die Struktur von übertragenen Signalen innerhalb
der zuvor erwähnten
und anderen Systemen derart ist, dass die Signalstruktur bekannte,
zuvor definierte Kenndaten aufweist und Synchronisationssequenzen
oder -bursts, Trainingssequenzen etc. aufweist.
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Derartige
Sequenzen werden oftmals von pseudozufälligen Codes erzeugt, die gute
Autokorrelationsfunktionen aufweisen. Korrelationstechniken sind
folglich bei GSM und ähnlichen
Kommunikationssystemen weit verbreitet, um die Signalsynchronisation,
-identifizierung und andere Signalverarbeitungsaufgaben durchzuführen.
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Um
eine genaue Nachbildung eines übertragenen
Signals in einem Empfänger
zu regenerieren, ist es nötig,
jegliche Fehler, die vorhanden sind, zu entfernen und/oder jegliche
Verschlechterung, die während
der Übertragung
auftritt, zu kompensieren. Fehler und Signalverschlechterung treten
während der Übertragung
jedes Signals auf und können
als eine Folge auf Folgendes entstehen:
Abschwächung und
Schwund des Signals;
Mehrwegereflexion/Mehrwegedispersion;
Hintergrundrauschen; Störung
durch andere Signale; oder eine Kombination aus diesen und anderen
Effekten. Alle Effekte reduzieren in variierendem Maße die Effizienz
und die Leistung von Systemen, die übertragene Signale verwenden.
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Ein
gängiges
Motiv vieler Systeme, die Signale benutzen, um zum Beispiel einen
Mobiltelefonanwender zu lokalisieren, ist, dass eine genaue Anzeige
oder Nachbildung des übertragenen
Signals benötigt
wird.
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Es
gibt gewisse Techniken, die helfen können, ein empfangenes Signal
zu korrigieren oder zu modifizieren, so dass gewisse Arten von Fehlern
korrigiert oder kompensiert werden könnten. In der Vergangenheit
wiesen derartige regenerierte Signale jedoch oftmals Restfehler
auf.
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Das
Dokument
EP-A-1 501 215 (&
WO 03/088524 ) beschreibt den Aufbau
von Zwischenverstärkern
zur Verwendung innerhalb des GSM-Systems, wo spektraler Austausch
zwischen den GSM-Frequenzbändern von
900 MHz und 1800 MHz angewendet wird. Das Band von 900 MHz wird
verwendet, um mit dem GSM-Netz zu kommunizieren, wohingegen das
Band von 1800 MHz verwendet wird, um zwischen den Zwischenverstärkern zu
kommunizieren. Auf diese Art und Weise wird verhindert, dass Endgeräte störend in
die Kommunikation, die zwischen den Zwischenverstärkern stattfindet,
eingreifen. Zwischen der Frequenz, die in dem Band von 900 MHz verwendet
wird, und der in dem Band von 1800 MHz, besteht eine direkte Phasenbeziehung.
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WO-A-01/28272 beschreibt
ein System zum Bestimmen der Position einer Basisstation innerhalb eines
Zellularübertragungsnetzes.
Die Feldstärken von
angrenzenden Basisstationen werden gemessen und Informationen, die
sich auf diese beziehen, werden verwendet, um auf einem mobilen
Sender innerhalb der Zelle des Netzes einen Navigationsfestpunkt bereitzustellen.
Die Position basiert auf dem Erkennen von Signalstärken und
auf dem Durchführen
einer besten Übereinstimmung
mit Daten bei dem Überlappen
auf eine geographische Karte. Es wird kein Versuch unternommen,
ein Signal zu rekonstruieren oder zu regenerieren.
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Es
ist im Allgemeinen ein Ziel, alle Formen der Signalverschlechterung
und des Rauschens zu reduzieren.
GB-A-2
291 300 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen, ob ein
Fahrzeug auf einem vorher bestimmten Weg fährt, indem über einen Zeitraum die Signalstärke von
einer Basisstation eines Mobilfunksystems verglichen wird, wobei
das Signal normalisiert wird und dies mit einer gespeicherten Signalstärke im Vergleich
zu den Distanzinformationen verglichen wird. Als Teil des Bestimmungsprozesses ist
erneut eine Anzeige des übertragenen
Signals wünschenswert.
Es wird jedoch kein Versuch unternommen, ein derartiges Signal zu
erlangen.
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Eine
andere Technik zur Verbesserung der Qualität des Signals oder zur Reduzierung
des Rauschens ist, eine Antenne nach einer Signalquelle auszurichten
und eine Phasensynchronisation der Antenne auf die Frequenz des
Signals durchzuführen.
Dies ist jedoch nicht immer realisierbar, insbesondere dort, wo
die Blickrichtung beschränkt
ist und/oder wo Signalreflexion auftritt.
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GB-A-2 311 697 offenbart
eine Technik zum Schätzen
der Position eines Mobilfunkendgeräts in einem drahtlosen Kommunikationssystem
unter Verwendung von Signalstärken
von einer Vielzahl von Basisstationen. Diese Signalstärken werden
mit Messungen, die zuvor an einer Vielzahl von bekannten Positionen
erhalten wurden, in Beziehung gesetzt. Die resultierenden Daten
werden verwendet, um die empfangenen Signale zu korrigieren, um
eine Anzeige der Position eines Mobilfunkendgeräts bereitzustellen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät zum Empfangen
eines Signals bereitzustellen und für Vergleichszwecke oder anderes
von dem empfangenen Signal ein regeneriertes Signal wiederzuerlangen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Regenerieren
eines entfernt übertragenen
Signals, das einen Symbolstrom beinhaltet, der gemäß einem
vorher bestimmten Standard auf einen Träger moduliert wird, bereitgestellt,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- a) Empfangen des entfernt übertragenen
Signals, das bekannte Kenndaten aufweist;
- b) Bestimmen des Frame-Timing des empfangenen Signals;
- c) Erkennen der Stellen von Sequenzen innerhalb des Signals
aus dem Frame-Timing;
- d) Erkennen der Struktur der Sequenzen;
- e) Schätzen
der Werte der Phasenverschiebung an den Stellen der Sequenzen;
- f) Demodulieren des Symbolstroms unter Verwendung der geschätzten Werte
der Phasenverschiebung und der Struktur der Sequenzen; und
- g) Remodulieren des Symbolstroms unter Verwendung der Werte
der Phasenverschiebung.
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Vorteilhafterweise
beinhaltet Schritt f) den zusätzlichen
Schritt des Korrigierens des Symbolstroms vor Schritt g). Es können verschiedene
Techniken verwendet werden, um die Korrektur auszuführen. Zusätzlich dazu
kann der Schritt des Korrigierens des Symbolstroms die Substitution
von Symbolen in dem Symbolstrom enthalten, wo der Symbolstrom a
priori bekannt ist.
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Schritt
f) kann ferner das Vergleichen demodulierter Symbole mit bekannten
Symbolen beinhalten, um eine Schätzung
der Symbolfehlerrate bereitzustellen.
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Es
wird bevorzugt, dass Schritt a) die Umsetzung des empfangenen Signals
nach unten auf eine Nennzwischenfrequenz von 0 Hz umfasst. Zusätzlich dazu
umfasst Schritt a) ferner das Digitalisieren des Zwischenfrequenzsignals,
um einen digitalisierten Symbolstrom in einem komplexen Signalwertebereich
bereitzustellen.
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Vorzugsweise
umfasst Schritt e) das Schätzen
der durchschnittlichen Schwebungsfrequenz des Signals, das Entfernen
der geschätzten
durchschnittlichen Schwebungsfrequenz von dem Signal und das Speichern
der durchschnittlichen Schwebungsfrequenz in einer Datenbank. Zusätzlich dazu
umfasst Schritt e) ferner das Schätzen der Restphasenverschiebung
des Signals und das Speichern der geschätzten Restphasenverschiebung
des Signals in der Datenbank.
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Idealerweise
umfassen die Sequenzen Trainingssequenzen, Synchronisationssignale,
Frequenzkorrektur-Bursts oder Dummy-Bursts. Die Trainingssequenzen können acht
Trainingssequenzen, die mit Daten-Bursts in Verbindung stehen, sowie eine
neunte Trainingssequenz, die mit Dummy-Bursts in Verbindung steht,
umfassen.
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Es
ist möglich,
Trainingssequenzen und Korrelationshöhepunkte zur Mehrwegekompensation
zu verwenden. Techniken der Kanalschätzung, die die Korrelationsverarbeitung
von Datensequenzen verwenden, werden vorzugsweise verwendet, um
die Mehrwegekompensation bereitzustellen.
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Die
Regenerierung des Signals wird in geeigneter Weise bei einer Nullschwebungsfrequenz
unter Verwendung von Techniken der digitalen Signalverarbeitung
durchgeführt,
um bei niedrigen Implementierungskosten eine hohe Leistung und Wiedergabetreue
zu erzielen. Es können
jedoch andere Techniken eingesetzt werden, um das gewünschte Resultat zu
erzielen.
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Indem
für die
Regenerierung eines übertragenen
Signals gesorgt wird, ist es möglich,
ein Signal zu benutzen, das von einer entfernten Quelle empfangen
wird, selbst wenn das empfangene Signal über seinen Ausbreitungsweg
ungewollter Verfälschung
ausgesetzt war. Folglich ist das regenerierte Signal, das erhalten
wird, vorzugsweise im Wesentlichen mit dem übertragenen Signal, oder einem,
das von einem Sender erhalten worden wäre, identisch, falls eine Verbindung
von hoher Qualität
(Festnetz) verwendet worden ist, um das Signal zu dem Empfänger auszubreiten.
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Am
besten wird die Regenerierung des empfangenen Signals durch eine
selektive Kombination aus Folgendem erzielt: Rekonstruierung von
Abschnitten des empfangenen Signals, durch das Korrigieren der identifizierten
Abweichung von der bekannten Form; und durch andere Techniken zum
Entfernen der Fehler und zum Reduzieren des Rauschens.
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Ein
Gerät kann
ebenso zum Regenerieren eines Signals bereitgestellt werden. Ein
derartiges Gerät
kann Elemente beinhalten, die (i) ermöglichen, dass ein digitaler
Probenstrom bei einer Nennnullschwebungsfrequenz in dem komplexen
Signalwertebereich von dem empfangenen Signal produziert wird, (ii)
in dem Signal der Nennnullschwebungsfrequenz eine Verschiebung der
durchschnittlichen Schwebungsfrequenz bestimmen, (iii) über die
Spanne des Signals der Nennnullfrequenz Restphasenverschiebungen
bestimmen, nachdem die Verschiebung der durchschnittlichen Schwebungsfrequenz entfernt
worden ist, (iv) einen Korrekturfaktor der durchschnittlichen Schwebungsfrequenz
und Korrekturparameter der Restphasenverschiebung bereitstellen,
(v) Abschnitte des empfangenen Signals mit entsprechenden bekannten
Signalformen vergleichen, (vi) ungewollt verfälschte Abschnitte des empfangenen
Signals korrigieren, um rekonstruierte Signalabschnitte bereitzustellen,
(vii) die rekonstruierten Signalabschnitte wieder mit der durchschnittlichen Schwebungsfrequenz
und den Restphasenverschiebungen kombinieren, um ein regeneriertes
Signal bei der Nennnullschwebungsfrequenz bereitzustellen.
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Dann
können
periodische Zeitinformationen extrahiert und in Zusammenhang mit
Messungen der Phasenverschiebung verwendet werden, um eine Schätzung des
Versatzes der relativen durchschnittlichen Schwebungsfrequenz und
der „rauschartigen" Restphasenverschiebungen
zwischen dem empfangenen Signal und einem festen Mischoszillator
bereitzustellen. Idealerweise werden die Phaseninformationen verwendet,
um die Korrekturparameter der durchschnittlichen Schwebungsfrequenz-
und der Restphasenverschiebung bereitzustellen.
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Sobald
jegliche durchschnittliche Schwebungsfrequenz und rauschartige Restphasenverschiebungen
korrigiert worden sind, kann die Demodulation des Signalbitstroms
durchgeführt
werden, um einen Strom an demodulierten Symbolen bereitzustellen,
bei dem verschiedene Techniken angewendet werden können, um
Symbolfehler zu korrigieren. Einige bevorzugte Techniken werden
nachstehend beschrieben.
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Typischerweise
liegt das empfangene Signal bei GSM-Systemen in dem Bereich von
900 MHz bis 1800 MHz und wird vor der Nyquist-Filterung und dem Digitalisieren auf
eine Zwischenfrequenz gemischt, um Symbolströme bei Nennnullschwebungsfrequenz
in dem komplexen Signalwertebereich zu produzieren. Es können andere
Ausführungsformen eingesetzt
werden, um äquivalente
Resultate zu erzielen.
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Unter
Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, das oben im
Allgemeinen beschrieben wurde, wird ein Signal erhalten, das typischerweise
die bestmögliche
Nachbildung des übertragenen
Signals bei Nennnullschwebungsfrequenz ist, die ohne die Verwendung
einer drahtgebundenen Verbindung von der ursprünglichen Quelle des übertragenen
Signals erzielt werden kann. Folglich wird ein regeneriertes Signal
der Nennnullschwebungsfrequenz erhalten, das gespeichert werden
kann und das zum Beispiel in der Folge für Vergleiche herangezogen werden
kann.
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Bei
der einfachsten Ausführungsform
der Demodulation der Schwebungsfrequenz und der phasenkorrigierten
Version des Signals der Nennnullschwebungsfrequenz sind die demodulierten
Daten (Symbole), die von den empfangenen Signalen erlangt werden,
strikt begrenzt. Dies hat den Effekt des Entfernens des Großteils der
Störung,
die vorhanden sein kann, vorausgesetzt, dass das gewollte Signal
bedeutend größer als
die Störung
ist, was in der Regel für
die Anwendungen von Belang der Fall ist. Es können auch andere, technisch
ausgefeiltere Demodulationstechniken angewendet werden.
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Die
passende Modulation wird dann auf die demodulierten Symbole angewendet
und die zuvor gemessenen Korrekturparameter der durchschnittlichen
Schwebungsfrequenz- und der Restphasenverschiebung werden angewendet,
um ein regeneriertes Signal bei der Nennnullschwebungsfrequenz zu
kreieren, das nicht durch Mehrwegereflexionen, Störung oder
durch andere Effekte auf Grund der „drahtlosen" Ausbreitung ungewollt
verfälscht
wird.
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Technisch
ausgefeiltere Dekodierung, z.B. die Viterbi-Dekodierung, kann angewendet
werden (zum Beispiel bei Daten-Bursts), um einige Datensequenzen
wiederzuerlangen. Andere Datensymbolsequenzen werden unter Verwendung
von vorherige Kenntnis der Struktur des Signals rekonstruiert (zum Beispiel
Synchronisationssequenzen und -bursts, die zuvor durch die Signalverarbeitungsfunktionen
als GSM-Dummy-Bursts
erkannt wurden).
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Die
Verwendung von A-priori-Kenntnis einer Signalstruktur kann ebenfalls
verwendet werden, um von der Anzahl an Datenkorrekturen, die nötig sind, um
ein Signal zu rekonstruieren, eine Schätzung der Bitfehlerrate (BER)
bereitzustellen. Die Abschnitte des Signals, die unter Verwendung
von A-priori-Kenntnis rekonstruiert werden können, umfassen zum Beispiel
für GSM
eine Trainingssequenz, ein Synchronisationssignal (Sync-Signal),
ein so genanntes Dummy-Signal
oder Frequenzkorrektur-Bursts (FCBs). Ein derartiges A-priori-Kenntnis kann aus
Datenbanken oder aus Verweistabellen von Kenndaten des Signals erhalten
werden, die als Standards veröffentlicht
werden.
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Andere
Signalverschlechterungen können ebenfalls
der Korrektur oder der Kompensation bedürfen, wenn das übertragene
Signal regeneriert wird. Eine derartige Signalverschlechterung wird
als Mehrwegedispersion bezeichnet. Mehrwegedispersion tritt als
ein Resultat von Reflexionen von Gebäuden, Bäumen, sich bewegenden Objekten
und anderen geographischen Merkmalen auf. Eine Trainingssequenz
kann zum Beispiel in der Mitte von jedem Daten-Burst auftreten, um ein Mittel zum Schätzen der
Kenndaten der Mehrwegedispersion bereitzustellen. Sobald sie berechnet
ist, kann die Schätzung verwendet
werden, um die Mehrwegedispersionen zu korrigieren.
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Aktive
Daten-Bursts können
Daten enthalten, die sich auf Vermittlungs-/Routinganweisungen, Telefonbetreiberbefehle, beziehen,
Daten, die sich auf die Steuerung der Basisstation und die Anwenderinformationen
sowie die Nutzdaten per se beziehen.
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Herkömmliche
GSM-Empfänger
dekodieren Informationen von einem Trägersignal, um festzustellen,
welche Bursts Daten enthalten, die für sie von Interesse sind, und
welche der möglichen
Gruppe an Trainingssequenzen derzeit verwendet wird, um diese Bursts
zu kennzeichnen. Bursts, die keine Daten enthalten, werden mit einem „Dummy"-Code gefüllt, und
werden in der Folge nicht von herkömmlichen Empfängern verarbeitet.
Es ist realisiert worden, dass es, wenn alle Daten-Bursts, einschließlich der Dummy-Signale,
benutzt werden, möglich
ist, ein Referenzsignal von hoher Qualität zu regenerieren, das eine
sehr gute Nachbildung dessen ist, was übertragen wurde, da die breite
Mehrheit des empfangenen Signals verarbeitet werden kann, um die
durchschnittliche Schwebungsfrequenz und die Restphasenverschiebungen
auf einer Burst-by-Burst-Basis zu schätzen. Bei gelegentlichen Bursts,
wo dies nicht möglich
oder geeignet ist (zum Beispiel den Frequenzkorrektur-Bursts), wird in
geeigneter Weise einfache Interpolation angewendet.
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Die
Informationen, die von den Trainingssequenzen erlangt werden, ermöglichen,
dass die Struktur eines empfangenen Signals abgeleitet wird; und
dass relevante Korrekturfaktoren erzeugt werden. Es wird ein Verglich
mit bekannten Signalstrukturen vorgenommen und die Substitution
von ungewollt verfälschten
Daten erwirkt, indem korrekte Daten verwendet werden, die zum Beispiel
aus Verweistabellen erlangt werden.
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Bei
einem typischen GSM-System gibt es acht unterschiedliche Trainingssignalsequenzen,
die in Lebenddaten-Bursts verwendet werden können, um Signale von verschiedenen
Basisstationen zu unterscheiden und um Störung auf Grund der Wiederverwendung
der Frequenz zu minimieren.
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Die
Menge an GSM-Datenverkehr variiert, insbesondere von Perioden geringer
Verwendung zu Höhepunktperioden.
Während
Perioden geringer Verwendung sind die Basisstationen relativ inaktiv und übertragen
so genannte Dummy-Bursts an Daten. Diese Signale werden bei einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet, um Phasen- und Frequenzinformationen
auf dieselbe Art und Weise wie aktive Daten-Bursts zu erhalten,
indem das Zentrum des Dummy-Bursts in wirksamer Weise als eine zusätzliche
Trainingssequenz verwendet wird. Folglich können Dummy-Bursts, die keine
Daten enthalten, als eine neunte Trainingssequenz enthaltend betrachtet
werden.
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Vorzugsweise
kann das Gerät
angepasst werden, um einen zentralen Abschnitt eines Dummy-Bursts
als einen Messwert der Korrelations- und der Phasenrauschmessung zu verwenden.
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Auf
diese Weise ermöglicht
die Verwendung der Informationen, dass die Phase und die Frequenz eines
eingehenden Signals relativ zu dem Empfängeroszillator erhalten werden,
wenn der Betrieb in dem komplexen Signalwertebereich bei der Nennnullschwebungsfrequenz
des Empfängers
stattfindet. Dann kann die gemessene Phasenvariation zwischen den
Oszillatoren, die die Signale übertragen und
empfangen, erhalten werden. Diese Informationen können analysiert
werden und können
verwendet werden, um die Phasenvariation in geeigneter Weise als
eine durchschnittliche Schwebungsfrequenz und eine „rauschartige" Restphasenverschiebung über die
Signalspanne von Belang auszudrücken.
Sowohl die durchschnittliche Schwebungsfrequenz als auch die Restphasenverschiebungen
werden von dem Ausgang der Burst-Identifizierung und des Korrelationsprozesses
erlangt.
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Idealerweise
wird für
empfangene GSM-Bursts ein Korrelationstest durchgeführt, wobei alle
Trainingssequenzen verwendet werden, einschließlich des passenden Abschnitts
des Dummy-Bursts. In der Regel wird dann das Signal ausgewählt, das
den größten Betrag
ergibt. Dies ermöglicht,
dass die Art des Bursts eindeutig erkannt wird (zum Beispiel Dummy-
oder Daten-Burst und die passende Trainingssequenz, die für den letzteren
verwendet wird). Dann kann die Phase des Daten-Bursts relativ zu
dem Empfängeroszillator
von „gleichphasigen" Ausgängen (I)
und „Phasenquadraturausgängen" (Q-Ausgängen) des
komplexen Signalwertebereichkorrelators erlangt werden.
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Anfangs
werden zugeordnete Synchronisationssequenzen („Sync-Sequenzen") verwendet, um Frame-Timing-Daten festzustellen.
Dann können Frame-Timing-
und andere nötige
Signalstrukturinformationen festgestellt werden.
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Idealerweise
umfassen periodische Tim ing-Informationen Frame-Timing-Informationen. Bei GSM-Systemen
wird vorteilhafterweise anfängliches Frame-
und Burst-Timing durch eine Korrelationssuche nach einem Muster
des Hauptsynchronisations-Bursts erhalten. Phasen- und Frequenzversatzinformationen
werden dann durch Korrelation, vorzugsweise zum Beispiel unter Verwendung
einer zentralen Auswahl eines ausgewählten GSM-Signals oder eines
Daten-Bursts, mit gespeicherten Versionen von erlaubten Modulationsmustern
für diese
Signale oder Daten-Bursts erhalten. Es kann ein Vergleich mit gespeicherten
Werten, die in einer Datenbank oder einer Verweistabelle gehalten
werden, vorgenommen werden.
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Vorzugsweise
wird das Frame-Timing von Signalen durch die Verwendung eines Korrelators
erhalten. Der Korrelator erkennt GSM-Synchronisationssequenzen von einem
empfangenen Signal. Typischerweise ist die Haupt-GSM-Synchronisations- oder „Sync-" Sequenz 64 Symbole
lang.
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Idealerweise
wird ein zugeordneter Digitalsignalverarbeitungscomputerchip (DSP-Computerchip),
eine frei programmierbare logische Anordnung (FPLA), oder eine anwendungsspezifische
integrierte Schaltung (ASIC) verwendet, um die zuvor erwähnten Aufgaben
durchzuführen.
Ein Vorteil von digitalen Techniken ist, dass im Vergleich zu analogen
Verfahren eine höhere
Widergabetreuesignalverarbeitung erzielt werden kann.
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Um
die Signalrekonstruktion weiter zu steigern, wird bei den empfangenen
Signalen eine Messung der Phasenverschiebung vorgenommen. Dies wird
verwendet, um den Prozess der Signalrekonstruktion zu verbessern,
indem jeglicher Frequenzversatz und jegliche Phasenverschiebung,
die aufgetreten sein können,
zu berücksichtigen.
Dann kann für jeglichen
Frequenzfehler und jegliche Phasenverschiebung ein Kompensationsfaktor
berechnet werden. Der Kompensationsfaktor wird verwendet, um die
folgenden Fehler zu kompensieren, die in geeigneter Weise wie folgt
definiert werden:
- (i) eine durchschnittliche
Schwebungsfrequenz (die die durchschnittliche Frequenzdifferenz
zwischen den übertragenen
und den empfangenen Oszillatoren über eine vorher bestimmte Periode, gemessen
mit Bezug auf die Nennnullschwebungsfrequenz des Empfängers, ist);
und
- (ii) jegliche „rauschartigen" Restphasenverschiebungen
(die auf relative kurzzeitige Schwankungen der Signalfrequenz über eine
vorher bestimmte Periode zurückzuführen sind)
zwischen den übertragenen
und den empfangenen Oszillatoren.
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Fehler
werden entfernt, wenn die Signale erzeugt werden und wenn der Bedarf
entsteht, so dass in der Folge ein vollständiges Signal rekonstruiert werden
kann. Zu diesem Zweck kann ein löschbarer dynamischer
Speicher oder Cache-Speicher verwendet werden.
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Dann
kann die Regenerierung des Referenzsignals idealerweise in dem digitalen
Wertebereich, zum Beispiel unter der Steuerung eines Mikroprozessors,
stattfinden. Die Signalregenerierung beruht auf der Tatsache, dass
einige Abschnitte des Signals direkt gemessen, rekonstruiert und
geschätzt
worden sind. Das Regenerierungsgerät beinhaltet somit in wirksamer
Weise Folgendes: einen Signalprozessor und einen in Verbindung stehenden
Speicher, die unter der Anweisung einer Software betrieben werden, die
programmiert ist, um zugewiesene oder spezifische Funktionen durchzuführen, wobei
jede von ihnen unten detaillierter beschrieben ist.
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung, wird nun lediglich beispielhaft auf
die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Zellularkommunikationssystems ist;
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2 ein
Blockdiagramm ist, das ein System der Signalregenerierung gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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3 eine
Tabelle mit Ergebnissen von einem Versuch unter Verwendung des Systems
aus 2 ist; und
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4 eine
graphische Darstellung der Messung der Restphasenverschiebung gegen
die Anzahl an Bursts innerhalb eines Signals ist.
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Unter
anfänglicher
Bezugnahme auf 1 ist in schematischer Form
ein Netz 10 mit den Basisstationen 12A bis 12J in
einem Zellularkommunikationssystem gezeigt. Ein Empfänger, wie
etwa ein Mobilteil 14, empfängt Signale von den verschiedenen Basisstationen 12E, 12F, 12G, 121 und 12J.
Im Allgemeinen sind die empfangenen Signale mit Rauschen überlagert;
können
Fehler umfassen und werden oftmals von nicht gewollten (unerwünschten)
Signalen begleitet. Das empfangene Signal kann in eine Nullschwebung
oder in ein Zwischenfrequenzsignal (ZF-Signal) umgesetzt, gefiltert,
digitalisiert und verarbeitet werden in Form von gleichphasigen
(I) und Quadraturprobenströmen
(Q-Probenströme). Andere
Techniken können
verwendet werden.
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Gegebenenfalls
kann Störung
reduziert werden, indem die Antenne des Mobilteils 14 auf
eine gewünschte
Basisstation fokussiert wird, um jegliche Gewinnkenndaten zu benutzen.
Obwohl dies dazu dient, Störungs-
und Mehrwegeschwundeffekte zu reduzieren, werden weitere Störungs- und
Mehrwegereduzierungstechniken benötigt, um die endgültige Qualität des empfangenen
Signals zu verbessern.
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Das
Signal 20 (1) wird von der Basisstation 12J durch
das Mobilteil oder einen anderen angemessenen Empfänger 14 empfangen
und ist von der Art, die in einem GSM-Zellularkommunikationssystem vorzufinden
ist. Das empfangene Signal 20, das auf diese Art und Weise
erhalten wird, wird im Allgemeinen durch Mehrwegedispersion und
Störungseffekte,
zum Beispiel von anderen Basisstationen, ungewollt verfälscht. Um
eine Version von hoher Qualität
des Signals, das ursprünglich übertragen wurde,
zu erhalten, ist die Regenerierung des übertragenen Signals von dem
empfangenen Signal nötig.
Dies wird nun unten mit Bezugnahme auf 2 detaillierter
beschrieben.
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Das
empfangene Signal wird nach unten umgesetzt und verarbeitet, um
separate, digitalisierte I- und Q-Probenströme bei Nullschwebungsfrequenz bereitzustellen.
Der I- und der Q-Probenstrom
bilden ein komplexes Signal 100 (2), das
in der Folge in einem System der Signalregenerierung gemäß der vorliegenden
Erfindung verarbeitet wird.
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Die
durchschnittliche Schwebungsfrequenz und die „rauschartigen" Restphasenverschiebungen entstehen
als eine Konsequenz einer Frequenzfehlanpassung und -abwanderung
zwischen festen Oszillatoren in dem Empfänger und dem Sender und stellen
einen geeigneten Ansatz dar, derartige Frequenzfehlanpassungen und
-abwanderungen darzustellen, zu messen und zu verarbeiten.
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Nun,
unter Bezugnahme auf 2, ist ein System 200 der
Signalregenerierung gezeigt, das einen Signalkorrelator 24,
einen Frame- und Burst-Timing-Korrelator 28, einen Restphasenverschiebungskorrelator 30,
einen Frequenzmischer 32, eine Datenbank (oder eine Verweistabelle) 34,
einen Demodulator 40, einen Mischer 42, einen
Bitfehlerkorrektor 46, einen GSM-Modulator 48 und
einen Remodulator 50 beinhaltet. Die Komponenten des Systems 200 der
Regenerierung sind wie gezeigt verbunden.
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Das
komplexe Signal 100 wird parallel in den Signalkorrelator 24 und
den Frame- und Burst-Timing-Korrelator 28 eingegeben. Der
Frame- und Burst-Timing-Korrelator 28 identifiziert,
wo in dem Signal 100 GSM-Signal-Frames beginnen und enden, sowie
die Positionen der Trainingssequenzen und anderen Komponenten der
Signalstruktur. Diese Signal-Timing-Informationen werden an den
Korrelator 24, den Restphasenverschiebungskorrelator 30 und den
Demodulator 40 geliefert.
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Der
Signalkorrelator 24 verwendet die GSM-Trainingssequenz
in jedem Burst, um die durchschnittliche Schwebungsfrequenz zu schätzen, indem über die
Signalspanne von Belang die durchschnittliche Änderung der Phasenverschiebung
zwischen aufeinander folgenden Bursts geschätzt wird. Die Schätzung 24A der
durchschnittlichen Schwebungsfrequenz wird an die Datenbank 34 geliefert. Ein
Ausgangssignal 102 wird von dem Signalkorrelator 24 auch
an den Frequenzmischer 32 weitergeleitet.
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Der
Frequenzmischer 32 eliminiert die Schwebungsfrequenz 24A von
dem Ausgangssignal 102 und stellt ein Eingangssignal 104 für den Restphasenverschiebungskorrelator 30 bereit.
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Der
Restphasenverschiebungskorrelator 30 schätzt die „rauschartigen" Restphasenverschiebungskenndaten,
die auf dem Signal 104 vorhanden sind, und stellt eine
Schätzung 30A der
Restphasenverschiebung (eine Messung für jeden GSM-Burst) für die Datenbank 34 bereit.
Ein Signal 106 wird auch für den Mischer 42 bereitgestellt.
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Der
Mischer 42 entfernt die Schätzung 30A der Restphasenverschiebung
und das resultierende Signal 108 wird an den Demodulator 40 weitergeleitet,
der das Signal 108 demoduliert. Die demodulierten Datensymbole 40A werden
an die Datenbank 34 gesendet.
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Der
Demodulator 40 kann eine Anzahl an Techniken verwenden,
die die Folgenden umfassen kann: harte Entscheidung, die den Effekt
der Unterdrückung
von Störung
aufweist und/oder Techniken der Fehlerkorrektur (z.B. Viterbi-Korrektur).
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Es
versteht sich, dass die bestimmte Art der Demodulationstechnik und
der Fehlerkorrektur, die angewendet werden, von der Implementierung
und auch von dem Inhalt und der Struktur des Signals abhängen.
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Die
Signale 24A, 30A und 40A, die an die Datenbank 34 gesendet
wurden, werden in der Folge wieder zu einem regenerierten Referenzsignal
zusammengesetzt, wie unten erklärt
wird.
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Zuvor
definierte Symbolsequenzen innerhalb des GSM-Protokolls erlauben
die Fehleridentifizierung und die Korrektur von bekannten Teilabschnitten
des demodulierten Symbolstroms. Derartige Sequenzen, die in der
vorliegenden Erfindung benötigt werden
können,
werden in der Datenbank oder in der Verweistabelle 34 gespeichert.
Diese Sequenzen werden verwendet, um Symbolfehlerraten zu messen
und um fehlerhafte Datensymbole in dem Signal 24A zu korrigieren.
Die Rekonstruktion des übertragenen
Signals wird dann unter Verwendung des korrigierten Symbolstroms
in Zusammenhang mit den Frequenz- und Phaseninformationen, die in 24A und 30A enthalten
sind, durchgeführt.
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Die
Datenbank 34 liefert die Symbole an den Fehlerkorrektor 46 bzw.
die Informationen, die sich auf die Schwebungsfrequenz und die Restphasenverschiebungen
beziehen, an den Remodulator 50. Der Bitfehlerkorrektor 46,
der GSM-Modulator 48 und der Remodulator 50 ermöglichen
und steuern den Zugriff auf die Datenbank 34, so dass Bitfehler
identifiziert und korrigiert werden können; der korrigierte Datensymbolstrom
kann moduliert werden; und die Restphasenverschiebungen und die
Schätzungen der
durchschnittlichen Schwebungsfrequenz können wieder angewendet werden,
um eine Version der Nullschwebungsfrequenz des GSM-Signals, wie es ursprünglich übertragen
wurde, bereitzustellen.
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Die
erneute Anwendung der durchschnittlichen Schwebungsfrequenz und
der Restphasenverschiebungen ist wichtig, um eine akkurate Annäherung an
das ursprünglich übertragene
Signal 20 zu erhalten, das zu einer Nullschwebungsfrequenz
umgesetzt wurde, mit Bezug auf den festen Mischoszillator in dem
Empfänger.
Folglich wird daher eine bestmögliche
Annäherung
an das ursprüngliche
Signal 20 erhalten.
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Ein
Bitkorrektor 46 greift auf die Signaldatenbank 34 zu
und lädt gespeicherte
Daten herunter. In gewissen bekannten Abschnitten des GSM-Signals werden
ungewollt verfälschte
Symbole durch definierte Symbole, die in den Verweistabellen in
dem Speicher der Datenbank 34 gehalten werden, ersetzt.
Ein Vergleich von bekannten Abschnitten des empfangenen Signals
(zum Beispiel Sync-Sequenzen
und Dummy-Bursts) in der Datenbank mit Signalen aus einem Verweis
ermöglicht,
dass eine Schätzung
der Symbolfehlerrate in dem empfangenen Signal vollzogen werden
kann. Der resultierende Bitstrom ist dann in wirksamer Weise eine
beste Schätzung
der Symbole, die ursprünglich übertragen
wurden.
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Die
beste Schätzung
der übertragenen
Datensymbolströme
wird zu dem GSM-Modulator 48 gespeist, um ein moduliertes
korrigiertes Signal 48A zu kreieren, das dann an einen
Remodulator 50 weitergeleitet wird. Der Remodulator 50 greift
auf die Datenbank 34 zu und wendet die Restphasenverschiebung 24A und
die durchschnittliche Schwebungsfrequenzschätzung 30A erneut an.
Das regenerierte GSM-Referenzsignal wird dann von dem Remodulator 50 als
das Signal 150 ausgegeben.
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Indem
die demodulierten GSM-Signale remoduliert werden und die Korrekturen
der durchschnittlichen Schwebungsfrequenz und der Restphasenverschiebung
erneut angewendet werden, eine regenerierte Nachbildung des Signals
von dem Sender bezogen auf die Nennnullschwebungsfrequenz des Empfängers.
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Es
wird anerkannt, dass, falls die Struktur des Signals a priori bekannt
ist, eine einfache Substitution des relevanten Elements, das korrigiert
werden soll, aus der Datenbank oder der Verweistabelle 34 implementiert
werden kann. Alternativ dazu wird die Korrektur während des
nachfolgenden Verarbeitens erwirkt.
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Demgemäß empfängt somit
zusammenfassend ein Signalregenerator ein ungewollt verfälschtes
Signal, verwendet eine Gruppe von bekannten Signalsequenzen (z.B.
Sync- und Trainingssequenzen), um das Signal-Timing zu bestimmen
und um das Signal zu korrelieren. Die durchschnittliche Schwebungsfrequenz
wird geschätzt,
gemischt und in einer Datenbank gespeichert. Dann werden die Restphasenverschiebungen
geschätzt
und in einer Datenbank gespeichert. Ein Symbolstrom wird durch angemessene
Demodulationstechniken erlangt und der Symbolstrom wird in einer
Datenbank gespeichert. Die gespeicherten Informationen werden aus der
Datenbank extrahiert, um Symbolfehler zu messen und zu korrigieren,
GSM moduliert den korrigierten Symbolstrom und remoduliert die Restphasenverschiebungen
und die durchschnittliche Schwebungsfrequenz.
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Folglich
reduziert und idealerweise entfernt die Erfindung ungewollte Signalverfälschungen,
die durch Effekte, wie etwa Mehrwegedispersion, Störung und
Rauschen, entstehen.
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Das
Verfahren, das oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben
wurde, wird auf jedem Kurst innerhalb des Signals, das regeneriert
werden soll, durchgeführt,
so dass Daten für
jeden Kurst erhalten werden. 3 veranschaulicht
einen Abschnitt einer Tabelle mit Daten, die von einem Versuch unter
Verwendung des Systems der Signalregenerierung, das in 2 gezeigt
ist, erhalten wurden (für
Kurst Nummer 293 bis 348). Die Daten zeigen für jeden Kurst innerhalb des
Signals die Burst-Nummer, den Burst-Versatz in der Speicherdatenbank,
ein Merkerfeld, das zu internen Steuerzwecken verwendet wird, die
Kennung der Trainingssequenz (8 = „Dummy"), die anfangs gemessene Burst-Phase
und die Restphasenverschiebung nach der Korrektur der durchschnittlichen
Schwebungsfrequenz an.
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4 zeigt
einen Verbundgraphen der Phasenverschiebung gegen die Burst-Zählung, der
aus der Tabelle, die in 3 gezeigt ist, konstruiert ist. Jeder
Punkt auf dem Graphen entspricht der Messung der Restphasenverschiebung
von einem Burst.
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Es
versteht sich, dass Änderungen
an der bevorzugten Ausführungsform
vorgenommen werden können,
ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.