DE19625855C2 - Verfahren und Signalauswerteeinrichtung zur Datenreduktion bei der Verarbeitung von Signalwerten mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit in einem Übertragungssystem - Google Patents

Description

In Übertragungssystemen, wie z. B. dem GSM-Mobilfunksystem (Global System for Mobil Communication) als Mobil-Kommuni­ kationssystem oder bei einer MODEM-Verbindung sind große Datenmengen zu übertragen und zu verarbeiten. In digitalen Signalverarbeitungseinheiten werden in einer Empfangsein­ richtung die empfangenen Signalwerte verarbeitet, wobei z. B. bei einem GSM-Empfänger nach der Analog/Digital-Wandlung eine Datenrate von 8.67 Mbit/s (für die In-Phase- und die Quadra­ tur-Komponente je 270833 Abtastwerte à 16 bit pro Sekunde) zu verarbeiten ist.

Diese den einzelnen Abtastwerten des analogen Empfangssignals entsprechenden digitalen Signalwerte werden gemäß dem Daten­ blatt AD7015 von Analog Devices, 1996, als Festkommazahlen dargestellt und in nachfolgenden Baugruppen, z. B. Kanalent­ zerrern weiterverarbeitet.

Aus DE 15 37 325 B2 bzw. DE 33 28 344 C1 sind Verfahren zur Signalübertragung bekannt, bei denen sendeseitig zusätzlich zur Übertragung eines Signals ein Pegelsignal bzw. ein Ska­ larfaktor erzeugt und gesendet wird, so daß der Dynamikbe­ reich des Signal verringert werden kann. Aus DE 34 11 962 C2 ist weiterhin eine Datenübertragungseinrichtung bekannt, die wiederum sendeseitig Skalierungsinformationen erzeugt, die über den Übertragungskanal übertragen werden. Damit kann ein Analogsignal zufriedenstellend übertragen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Datenrate bei der Verarbeitung von Signalwerten mit digitalen Signalver­ arbeitungseinheiten zu verringern. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 und die Signalauswerte­ einrichtung nach Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Wei­ terbildungen und Anwendungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wird ein Block mit k Signalwerten in Fest­ kommaformat gespeichert und ein Maximalwert der k Signalwerte des Blockes bestimmt. Daraufhin werden die k Signalwerte des Blockes in Gleitkommaformat umgewandelt werden, wobei für die umgewandelten Abtastwerte individuelle Mantissen und ein gemeinsamer Exponent ermittelt werden. Je nach gewählter Bitzahl für die Darstellung der Mantissen und Exponenten kann die Datenrate erheblich reduziert werden. Bezugnehmend auf das erwähnte GSM-Mobilfunksystem kann z. B. für die Mantissen der In-Phase- und der Quadratur-Komponente und für die Expo­ nenten jeweils ein 4 bit Darstellungsform in Gleitkommaformat gewählt werden, wodurch sich die Datenrate etwa um den Faktor 4 verringert. Damit ist es möglich, die Signalwerte nach der Analog/Digital-Wandlung über Busstrukturen z. B. innerhalb der Basisstation zu verteilen und somit dem Aufbau der Basis­ station mehr Flexibilität zu verleihen.

Vorteilhafterweise entspricht das Übertragungssystem einem Mobil-Kommunikationssystem und der Block den Abtastwerten eines Funkblocks oder eines Teils davon. Damit ergibt sich eine Menge gemeinsam zu verbeitender Signalwerte, die dem Zeitablauf der Signalverarbeitung in einem Funkblöcke nutzenden Mobil-Kommunikationssystem entspricht. Es können jedoch auch Halbblöcke wie beim GSM-Mobilfunksystem genutzt werden oder ein seperater Block zu Beginn eines Funkblocks, der durch das Einschwingverhalten der automatischen Ver­ stärkungsregelung des Empfängers beeinflußt ist, abgetrennt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Signalwerte jeweils Werte für die In-Phase-Komponente und die Quadratur-Komponente der Abtastwerte, die gemeinsam im Sinne der Datenreduktion verarbeitet werden. Bei der Aus­ wertung der In-Phase-Komponente und der Quadratur-Komponente entspricht deren Amplitude dem Energieanteil beider Kompo­ nenten, so daß ein gemeinsamer Maximalwert für beide Kompo­ nenten bestimmt werden kann. Unterscheiden sich die Maxima beider Verteilungen deutlich, dann kann die Komponente mit dem geringen Energieanteil weniger deutlich aufgelöst werden.

Vorteilhafterweise genügt ein gemeinsamer Exponent für die Darstellung der In-Phase-Komponente und der Quadratur- Komponente in Gleitkommaformat und nur die Mantissen werden getrennt ermittelt. Durch diese Maßnahme ist eine weitere Datenreduktion möglich.

Besonders groß ist die Datenreduktion, wenn die Signalwerte Ausgangsdaten einer Analog-Digitalwandlung sind und noch nicht entzerrt wurden. Für einen Datenstrom nach der Analog/Digital-Wandlung ist die Datenreduktion von besonderer Be­ deutung, da hierbei eine extrem hohe Datenrate vorliegt und durch die Reduktion dieser Datenrate große Systemressourcen freigesetzt werden bzw. zusätzliche Freiheitsgrade bei der Systemgestaltung entstehen. Die Ausgangsdaten der Analog- /Digital-Wandlung, die noch unbeeinflußt von einer Entzerrung sind, enthalten zusätzliche Informationen. Diese zusätzlichen Informationen können durch das Verfahren oder die Signalaus­ werteeinrichtung nach der Erfindung wirtschaftlich erfaßt werden.

Ein vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht eine adap­ tive Einstellbarkeit der Stellenzahl des Exponenten gemäß eines vorgebbaren Dynamikbereiches und/oder der Stellenzahl der Mantissen gemäß eines vorgebbaren Signal-Rausch-Verhält­ nisses vor. Durch eine große Stellenzahl für den Exponenten erhöht sich der darstellbare Dynamikbereich, währenddessen eine erhöhte Stellenzahl für die Mantissen durch eine genauere Wertedarstellung das Signal-Rausch-Verhältnis für eine spätere Datenauswertung verbessert. Ausgehend von der Auswertbarkeit der Signalwerte durch nachfolgende Entzerrer und Detektoren kann wiederum bei einer hohen Redundanz der Auswertung die Stellenzahl verringert werden, ohne daß die Qualität der Auswertung darunter leidet. Zur Einstellung der Stellenzahlen können die Informationen mehrerer Funkblöcke genutzt werden.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung findet das erfindungs­ gemäße Verfahren bzw. die Signalauswerteeinrichtung in CDMA (Code Division Multiple Access) bzw. GSM- oder GSM ähnlichen Mobilfunksystemen, da eine Leistungsregelung den Dynamik­ bereich der Signalwerte verringert und damit die kompaktere Darstellung der Signalwerte in Gleitkommaformat erleichtert wird. Ein Einsatz in DECT-Systemen ist jedoch ebenso möglich. Voraussetzung für die Datenreduktion im Übertragungssystem ist das Vorliegen der Signalwerte (nach der Übertragung) mit einer Stellenzahl, die im Vergleich zum bei der Signaldetek­ tion benötigten Signal-Rausch-Verhältnis reduzierbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Empfangseinrichtung in einem Mobilfunksystem,

Fig. 2 einen digitalen Signalprozessor mit der er­ findungsgemäßen Signalauswerteeinrichtung, und

Fig. 3 zwei Varianten der Formatumwandlung nach der Erfindung.

Die Erfindung wird anhand einer Empfangseinrichtung des GSM- Mobilfunksystemes beispielhaft erläutert. Die Empfangssignale werden durch eine Antenne A empfangen und einem Kanalfilter CF zugeführt, der ein Frequenzband von z. B. 25 MHz entspre­ chend der Bandbreite des GSM-Mobilfunksystems herausfiltert. Die vorgefilterten Empfangssignale werden einer ersten Misch­ stufe MS1 zugeführt und dort mit dem in einem ersten lokalen Oszillator LO1 erzeugten Oszillatorsignalen gemischt. Es entsteht eine erste Zwischenfrequenz zf1, deren Signale in einem darauffolgenden ersten Selektionsfilter SF1 gefiltert werden. Hierbei werden Störquellen in benachbarten Kanälen unterdrückt.

In einer zweiten Mischstufe MS2 werden daraufhin die gefil­ terten Signale der ersten Zwischenfrequenz zf1 mit den Oszil­ latorsignalen des zweiten lokalen Oszillators LO2 gemischt, wodurch eine zweite Zwischenfrequenz zf2 entsteht. Ein zwei­ ter Selektionsfilter SF2 entfernt weitere Störquellen in benachbarten Kanälen.

Es schließt sich ein Demodulator an, der die komplexen Emp­ fangssignale der zweiten Zwischenfrequenz ZF2 in eine In- Phase-Komponente und eine Quadratur-Komponente zerlegt und ins Basisband überträgt. In jeweils einer dritten Mischstufe MS3 werden die Empfangssignale mit der zweiten Zwischen­ frequenz zf2 zum einen um etwa 0° (In-Phase) und einmal mit etwa 90° (Quadratur) verschobenen Oszillatorsignalen eines dritten lokalen Oszillators LO3 gemischt. Das komplexe Basis­ bandsignal steht nun in seinen beiden Komponenten zerlegt zur weiteren Auswertung zur Verfügung.

Sowohl die In-Phase-Komponente als auch die Quadratur-Kompo­ nente werden jeweils in einem Analog/Digital-Wandler ADC in digitale Abtastwerte umgewandelt. So entsteht beispielhaft ein Datenstrom von 270 833 Abtastwerten pro Sekunde, wobei für die In-Phase- und Quadratur-Komponente eine Zahlendarstellung von 16 Bit üblich ist. Es werden also 32 Bit innerhalb von jeweils 3,69 µs abgetastet, was einer Datenrate von 8,67 Mbit/s entspricht. Ein dritter Selektionsfilter SF3 bewirkt für beide Signalkomponenten eine Tiefpaßfilterung, bevor die Signalwerte I, Q in einer erfindungsgemäßen Signalauswerte­ einrichtung verarbeitet werden.

Die Signalauswerteeinrichtung wird gemäß Fig. 2 durch einen digitalen Signalprozessor DSP realisiert (ebenso kann die Signalauswerteeinrichtung durch einen ASIC realisiert wer­ den). Dieser digitale Signalprozessor DSP nimmt die Signal­ werte I, Q mit jeweils n Bit (beispielsweise 16 Bit) auf. Der digitale Signalprozessor DSP enthält eine Speichereinrichtung SP, eine Einrichtung SMAX zur Bestimmung eines Maximalwertes, eine Einrichtung FORM zur Formatierung der Signalwerte und eine Steuereinrichtung ST.

Aus den den digitalen Signalprozessor DSP zugeführten Signal­ werten I, Q wird ein Block B gebildet, der aus k Signalwerten I, Q in Festkommaformat besteht. Die Einrichtung SMAX zur Bestimmung eines Maximalwertes wertet die k Signalwerte I, Q des Blockes B aus und bestimmt den Maximalwert max.

Die Einrichtung FORM zur Formatierung nimmt die k Signalwerte I, Q des Blockes B aus der Speichereinrichtung SP auf und verarbeitet zusätzlich den Maximalwert max. In der Einrich­ tung FORM zur Formatierung werden die Signalwerte I, Q vom Festkommaformat ins Gleitkommaformat umgewandelt. An Aus­ gängen dieser Einrichtung FORM zur Formatierung stehen für die In-Phase-Komponente I und die Quadratur-Komponente Q pro Signalwert I, Q jeweils einer Angabe zur Mantisse m und für den gesamten Block B eine Angabe zum Exponenten e zur Ver­ fügung.

Diese datenreduzierten Signalwerte I, Q können in darauffol­ genden Baugruppen der Empfangseinrichtung, z. B. einem Ent­ zerrer und einem Detektor ausgewertet werden. Die reduzierte Datenrate ermöglicht es, ein Bussystem vorzusehen, in dem die Ausgangswerte der Analog-Digitalwandlung mit einer stark re­ duzierten Datenrate, aber weitgehend unverfälscht, zur wei­ teren Verarbeiten bereitstehen.

Der Block B entspricht dabei einem Funkblock entsprechend dem jeweiligen Übertragungsverfahren des Mobilfunksystemes. Es können jedoch alternativ auch halbe Funkblöcke oder Teile davon verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, im er­ sten Halbblock die ersten Abtastwerte gesondert zu behandeln und als einen separaten Block B anzusehen.

Die Steuereinrichtung ST dient dem Steuern der Speicherung der Abtastwerte in die Speichereinrichtung SP. Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung ST die Einrichtung FORM zur Forma­ tierung veranlassen, die Stellenzahl der Exponenten e und die Stellenzahl der Mantissen m einzustellen. Die eingestellten Stellenzahlen orientieren sich vorteilhafterweise an vor­ gebbaren Dynamikbereichen bzw. vorgebbaren Signal-Rausch- Verhältnissen, die den momentanen Übertragungsverhältnissen und der geforderten Übertragungsqualität zuordenbar sind. Dabei können auch Informationen, die aus mehreren Funkblöcken gewonnen werden, zu Hilfe genommen werden. Die Stellenzahl ist folglich entsprechend einer Lernfunktion und in Abhängig­ keit von den Übertragungsbedingungen einstellbar.

Besonders vorteilhaft kann dieses Verfahren zur Datenreduk­ tion in CDMA- oder GSM- bzw. GSM ähnlichen Mobilfunksystemen eingesetzt werden, wenn in diesen Systemen automatische Lei­ stungsregelungen vorgesehen sind. Damit sinkt der Dynamikbe­ reich, d. h. die Unterschiede zwischen leistungsstarken und leistungsschwachen Signalen, wodurch die Datenreduktion er­ leichtert wird.

Das Verfahren zur Formatierung soll im folgenden anhand von Fig. 3 erläutert werden. Es werden zwei Ausführungsbeispiele a) und b) vorgestellt, die sich beide auf zugeführte Fest­ kommazahlen mit 10 Bit (1000 1111 11 und 0000 1111 11) be­ ziehen. Der aus den Signalwerten I, Q der In-Phase- bzw. der Quadratur-Komponente bestimmte Maximalwert MAX beträgt je­ weils 575 in Dezimalschreibweise, wobei die Datenreduktion in eine 4 bit Mantissenform für beide Komponenten und in eine 4 bit Darstellung für den gemeinsamen Exponenten e (in Variante b) mit einer zusätzlichen Angabe zum Exponenten) überführt werden soll.

Nach Variante a) bestimmt die Einrichtung FORM zur Formatie­ rung die Maximalanzahl von Rechtsverschiebungen, die nötig ist, um den Maximalwert MAX mit den zur Verfügung stehenden Stellen darzustellen. In diesem Fall sind es 4 Bit, wobei ein zusätzliches Bit für die Darstellung des Vorzeichens reser­ viert ist. Die Anzahl der Rechtsverschiebungen stellt den Exponenten e dar. Im folgenden werden alle Signalwerte I, Q sechsmal rechts verschoben, wodurch sich eine bezüglich der der Stellenzahl (Bitzahl) reduzierte Darstellungsform ergibt.

Nach einem zweiten Ausführungsbeispiel b) mit gleicher Zah­ lendarstellung und gleichen Maximalwert max wird zusätzlich ein Faktor bestimmt, der durch eine Division des größtmög­ lichen Exponenten (1111 1111 11) und dem Maximalwert max (1000 1111 11) gebildet wird. Mit diesem Faktor werden daraufhin alle Signalwerte I, Q bewertet. Im Ausführungs­ beispiel beträgt dieser Faktor 1,779. Dieser Faktor kann als Ergänzung e_man mit dem bestimmten Exponenten e_exp übertra­ genen und bei der Rekonstruktion der Signalwerte (z. B. bei einer Pegelbestimmung) verwendet werden. Auf eine Über­ mittelung der Ergänzung e_man kann jedoch auch verzichtet wer­ den, wenn es nur auf das Verhältnis der Signalwerte zuein­ ander ankommt. Die Stellenzahl der Ergänzung e_man ergibt sich aus der Stellenzahl der Mantisse m plus zumindest 1 bit (als Rundungsreserve). Im Ausführungsbeispiel ist der rekonstru­ ierte Faktor gleich 1111 1/1000 1 = 1,823, wodurch nur ein vernachlässigbarer Fehler entsteht.

Der Vorteil des zweiten Ausführungsbeispieles liegt darin, daß der Zahlenbereich besser ausgenutzt werden kann. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist im zweiten Ausführungsbeispiel um bis zu 10 log 1,779 = 2,5 dB besser als beim ersten. Das erste Ausführungsbeispiel kommt dagegen mit weniger Rechen­ aufwand aus.

Der bestimmte Exponent e gibt folglich bei der folgenden Signalverarbeitung die Anzahl der Linksverschiebungen an, um die die datenreduzierten Signalwerte I, Q linksverschoben werden müssen, um die ursprünglichen Werte wiederzugewinnen. Vorteilhafterweise werden die dargestellten Einrichtungen SMAX, SP, FORM, ST in einem digitalen Signalprozessor DSP durch programmtechnische Abläufe oder in einem anwendungs­ spezifischen Schaltkreis verwirklicht. Eine solche Realisie­ rung einer digitalen Signalverarbeitungseinheit DSP führt zu einer erheblichen Datenreduktion bei der Übertragung der Signalwerte I, Q und setzt Systemresourcen frei, die für weitere Verarbeitungsprozesse genutzt werden können.

Claims (16)

1. Verfahren zur Datenreduktion bei der empfangsseitigen Verarbeitung von Signalwerten mit einer digitalen Signal­ verarbeitungseinheit in einem Übertragungssystem, bei dem

• 1. - ein Block (B) mit k Signalwerten (I, Q) in Festkommaformat gespeichert wird,
• 2. - ein Maximalwert (max) der k Signalwerte (I, Q) des Blockes (B) bestimmt wird, und
• 3. - die k Signalwerte (I, Q) des Blockes (B) in Gleitkomma­ format umgewandelt werden, wobei für die umgewandelten Abtastwerte (I, Q) individuelle Mantissen (m) und ein gemeinsamer Exponent (e) ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Übertragungssystem ein Mobil-Kommunikationssystem und der Block (B) die Abtastwerte eines Funkblocks oder eines Teils davon repräsentiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Signalwerte (I, Q) jeweils Werte für die In- Phase-Komponente (I) und die Quadratur-Komponente (Q) der Abtastwerte sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem für die In-Phase-Komponente (I) und die Quadratur- Komponente (Q) ein gemeinsamer Maximalwert (max) bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem ein gemeinsamer Exponent (e) für die In-Phase- Komponente (I) und die Quadratur-Komponente (Q) und jeweils individuelle Mantissen (m) ermittelt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Signalwerte (I, Q) Ausgangsdaten einer Analog- Digital-Wandlung sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Stellenzahl des Exponenten (e) gemäß eines vor­ gebbaren Dynamikbereiches und/oder die Stellenzahl der Man­ tissen (m) gemäß eines vorgebbaren Signal-Rausch-Verhält­ nisses einstellbar sind.

8. Signalauswerteeinrichtung (DSP) zur Datenreduktion bei der empfangsseitigen Verarbeitung von Signalwerten in einem Über­ tragungssystem,

• 1. - mit einer Speichereinrichtung (SP) zur Speicherung zumin­ dest eines Blockes (B) mit k Signalwerten (I, Q) in Fest­ kommaformat,
• 2. - mit einer Einrichtung (SMAX) zur Bestimmung eines Maximal­ wertes (max) der k Signalwerte (I, Q) des Blockes (B), und
• 3. - mit einer Einrichtung (FORM) zur Formatierung der k Signal­ werte (I, Q) des Blockes (B), wobei die umgewandelten Abtastwerte (I, Q) in Gleitkommaformat mit individuellen Mantissen (m) und einem gemeinsamen Exponent (e) umgewan­ delt werden.

9. Signalauswerteeinrichtung (DSP) nach Anspruch 8, bei der das Übertragungssystem als Mobil-Kommunikationssystem und die Signalauswerteeinrichtung als digitaler Signalpro­ zessor oder anwendungsspezifischer Schaltkreis realisiert sind, wobei eine Steuereinrichtung (ST) die Speicherung der Abtastwerte eines Funkblocks oder eines Teils davon als Block (B) steuert.

10. Signalauswerteeinrichtung (DSP) nach Anspruch 8 oder 9, bei der durch eine Steuereinrichtung (ST) derart ausgestaltet ist, daß die Speicherung der Signalwerte (I, Q) jeweils als Werte für die In-Phase-Komponente (I) und die Quadratur- Komponente (Q) der Abtastwerte gesteuert wird.

11. Signalauswerteeinrichtung (DSP) nach Anspruch 10, bei der die Einrichtung (SMAX) zur Bestimmung eines Maximal­ wertes (max) derart ausgestaltet ist, daß sie den Maximal­ wertes (max) für die In-Phase-Komponente (I) und die Quadra­ tur-Komponente gemeinsam bestimmt.

12. Signalauswerteeinrichtung (DSP) nach Anspruch 10 oder 11, bei der die Einrichtung (FORM) zur Formatierung derart ausge­ staltet ist, daß ein gemeinsamer Exponent (e) für die In- Phase-Komponente (I) und die Quadratur-Komponente (Q) und jeweils eine Mantisse (m) ermittelt wird.

13. Signalauswerteeinrichtung (DSP) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, die mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) ggf. über weitere Einrichtungen (SF3) verbindbar ist, die dessen Ausgangsdaten verarbeitet und die die Datenreduktion zur Weiterverarbeitung der Signalwerte in Detektionseinrichtungen durchführt.

14. Signalauswerteeinrichtung (DSP) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der durch eine Steuereinrichtung (ST) die Stellenzahl des Exponenten (e) gemäß eines vorgebbaren Dynamikbereiches und/oder die Stellenzahl der Mantissen (m) gemäß eines vorgebbaren Signal-Rausch-Verhältnisses einstellbar ist.

15. Signalauswerteeinrichtung (DSP) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei der die Signalwerte (I, Q) mehrerer Funkblöcke zur wei­ teren Datenreduktion durch eine Einsparung der Ausgabe von ermittelten Exponenten (e) oder eine Verringerung der Stel­ lenzahl für die Mantissen (m) bzw. für die Exponenten (e) durch die Einrichtung (FORM) zur Formatierung berücksichtigt werden.

16. Anwendung der Signalauswerteeinrichtung (DSP) nach einem der Ansprüche 9 bis 15 in einem CDMA- oder GSM- bzw. GSM- ähnlichen Mobilfunksystem.