DE68928362T2 - Digitale selbsttätige Frequenzsteuerung mit reinen Sinuswellen - Google Patents

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
• Diese Erfindung bezieht sich auf die automatische Frequenznachregelung (AFC). Im besonderen bezieht sie sich auf Verfahren und Vorrichtungen für die automatische Frequenznachregelung (AFC) von reinen Sinuswellenformen (PSW).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die AFC für eine kohärente Erkennung von phasenmodulierten Signalen ist erforderlich, da bereits kleine Frequenzabweichungen zwischen den Referenzfrequenzen von Sender und Empfänger dazu führen können, daß eine erhebliche Anzahl von Datenfehlern erkannt wird. Das folgende Beispiel veranschaulicht dieses Problem. Es sollen Daten mit einer Geschwindigkeit von 300 KB/s mit Minimalfrequenzumtastung (MSK) (oder einer Variation dieses Nodulationsverfahrens, z.B. Gaußsche Minimalfrequenzumtastung - GMSK; allgemeine gedämpfte Frequenzmodulation - GTW usw.) in einem System mit Vielfachzugriff durch Zeitverschachtelung übertragen werden, das über Zeitschlitze mit einer Dauer von 0,5 s verfügt. Ein Zeitschlitz besteht daher aus (300 KB/s) x (0,5 s) = 150 Bit.
• Weiter soll die Phasenabweichung zwischen Sender und Empfänger zu Beginn eines jeden empfangenen Zeitschlitzes mit einer Synchronisierpräambel usw. auf Null gesetzt werden. Unter rauschfreien Bedingungen läßt sich zeigen, daß bei einem MSK- Modulationsverfahren die Bit ohne Fehler im Empfänger erkannt werden können, sofern die Phasenabweichung zwischen Sender und Empfänger unter π/2 rad beträgt. Da die Augenblicksfrequenz die abgeleitete Zeitfunktion der Phase ist, muß die Phasenabweichung am Ende des Zeitschlitzes unter π/2 rad betragen, damit der Zeitschlitz ohne Fehler empfangen werden kann, d. h. die Frequenzabweichung zwischen Sender und Empfänger muß folgende Bedingung erfüllen: foffset ≤ 1/1π π/2/0,5msec = 500 Hz
• Um die Auswirkungen von Rauschen zu kompensieren, muß in der Praxis die Frequenzabweichung etwas kleiner als dieser Wert sein, typischerweise 200 Hz.
• Bei einem Mobilfunkgerät mit einer Betriebsfrequenz von 900 MHz, erfordert eine maximale Frequenzabweichung von 200 Hz zwischen der übertragenen Trägerfrequenz und der Referenzfrequenz des Empfängers, daß sowohl der Sender als auch der Empfänger Oszillatoren mit einer Gesamtstabilität (mit Bezug auf Zeit, Temperatur usw.) von weniger als 0,1 ppm haben; dies ist eine Stabilitätsanforderung, die gegenwärtig nur von Cäsium- oder Rubidium-Frequenzuhren und wärmegehärteten Kristalloszillatoren erfüllt wird. Alle diese Oszillatoren sind zu groß für handelsübliche Mobilfunkanwendungen. Anstatt dessen muß die AFC mit einem kleinerem Oszillator mit geringerer Stabilität erfolgen, was eine geringere Frequenzstabilität zur Folge hat. Daher sind Verfahren erforderlich, mit denen die Frequenzstabilität auf eine andere Art und Weise kontrolliert werden kann. AFCSchaltkreise sind ein hierfür häufig gebrauchtes Verfahren.
• Herkömmliche AFC-Schaltkreise, wie sie z.B. J. C. Samuels in "Theory of the Band-Centering AFC-System", IRE Transactions on Circuit Theory, S. 324-330, Dezember 1957, beschrieben hat, sind für die Kompensation großer Frequenzabweichungen zwischen Sender und Empfänger vorgesehen, um so sicherzustellen, daß sich das empfangene Signal innerhalb der Bandbreite des ZF- Filters des Empfängers befindet. Dies wird in der-Regel mit einem Frequenzselektionsdetektor erreicht, dessen Ausgang tiefpaßgefiltert wird, um etwaige Datenartefakte aus der Mittenfrequenz des empfangenen Signals -zu entfernen. Ein solcher Ansatz ist nützlich, um Frequenzabweichungen von circa + 1 KHz bei 900 MHz zu erhalten. Es ist jedoch kein sinnvoller Ansatz, wenn eine Frequenzabweichung von unter 200 Hz erzielt werden soll, sofern die Bandbreite des übertragenen Signals sorgfältig unter 200 Hz liegt (z.B. Sinusform hat) . Aber auch für die Frequenzsynchronisierung mit einem Sinussignal muß das empfangene Signal sorgfältig weiterverarbeitet werden.
• Um eine anfängliche Frequenzsynchronisierung mit einem empfangenen GMSK-Signal zu erreichen, wird in der Praxis ein Sinuswellenburst in periodischen Intervallen zwischen Datenbursts übertragen, indem ein langer Burst von logischen Nullen und Einsen mit dem GMSK-Modulationsverfahren übertragen wird. Wie in der Technik bekannt ist, ist das -Signal aus einem solchen Dateneingang sinusförmig mit einer Frequenz, die gleich der Trägerfrequenz plus/minus einem Viertel der Bit-Übertragungsrate l/4T ist, d. h.
• f = fTräger ± 1/4T,
• wobei die Auswahl des Vorzeichens davon abhängig ist, ob nur Einsen oder nur Nullen übertragen werden.
• Bei dieser Sinuswellenburstübertragung ist für eine Synchronisierung mit dem empfangenen Trägersignal sowohl die Erkennung des Sinuswellenbursts als auch die Frequenzsynchronisierung mit dem Sinuswellenburst erforderlich.
• Der Artikel von Francis D. Natah, "AFC Tracking Algorithms", IEEE Transactions on Communications, Bd. com-32, Nr. 8, August 1984, S. 935-947, beschreibt die Verwendung der automatischen Frequenznachregelung AFC.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Bereitgestellt wird ein Verfahren und eine Vorrichtung für die automatische Frequenznachregelung (AFC) von reinen Sinuswellenformen (PSW). Die Erfindung umfaßt die Selektion, um Frequenzunterschiede zwischen einer empfangenen reinen Sinuswellenformen und einer Referenzfrequenz zu erkennen, die Integration der Frequenzunterschiede, um einen Mittelwert aus den Unterschieden zu bilden, und die Einstellung der Referenzfrequenz, um den Frequenzunterschied zu eliminieren.
• Die Erfindung ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß die empfangene reine Sinuswellenform um 90º phasenverschoben digitalisiert wird, daß die empfangene reine Sinuswellenform mit einer komplexen Sinuswellenform gemischt -wird, um die Sinuswellenform auf 0 Hz zu verschieben, daß die gemischte Sinuswellenform einer Quadraturfilterung unterworfen wird, daß eine Vektorprodukt-Selektion durchgeführt wird, um Frequenzunterschiede zwischen einer empfangenen reinen Sinuswellenform und einer Referenzfrequenz zu erkennen, daß die Frequenzunterschiede integriert werden, um einen Mittelwert aus den Unterschieden zu bilden, daß der Mittelwert/Unterschied zwischen der reinen Sinuswellenform und der Referenzfrequenz selektiv ermittelt wird und daß die Referenzfrequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators eingestellt wird, um den Frequenzunterschied zu eliminieren.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die geeignetste Art, wie sie in einer bevorzugten Ausführungsform implementiert werden kann, werden deutlicher (ohne hierdurch in ihrem Geltungsumfang eingeschränkt zu werden), wenn sie in Zusammenhang mit der folgenden ausführlichen Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen gesehen werden, wobei:
• Die einzige zugehärige Zeichnung ein Funktionsblockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Im folgenden wird auf das Blockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen.
• Ein herkömmlicher Quadraturdemodulator wird verwendet, um das empfangene Zwischenfrequenzsignal (ZF-Signal) auf gleichphasige Basisbandsignale (1) und Quadratursignale (Q) herunterzumischen. Zwei Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler), die mit einem Mehrfachen der Bit-Übertragungsrate arbeiten, tasten die Quadratur-Basisbandsignale ab und wandeln sie in ein Digitalformat um. Diese Schaltkreise sind auch für die digitale Demodulation des GMSK-Datensignals erforderlich.
• Die Ausgänge des A/D-Wandlers werden anschließend durch Multiplikation des empfangenen Signals mit e+jwot frequenzungesetzt, wobei w&sub0; = 2π (1/4T) rad/s ist. Durch die Frequenzumsetzung während des Empfangs des reinen Sinuswellenbursts ohne Frequenzfehler wird die Sinuswellenform auf eine Frequenz von 0 Hz gemischt. Bei einer Frequenzabweichung bestehen die frequenzumgesetzten I- und Q-Signale aus einer Sinus- bzw. eine Kosinuswellenform mit einer Frequenz, die gleich dem Frequenzabweichungsfehler ist.
• Die frequenzumgesetzten I- und Q-Signale werden- anschließend durch die beiden LPF-Blöcke tiefpaßgefiltert, um zu starkes Rauschen zu eliminieren, und danach mit den beiden Dezimatorblöcken niedergetastet. Während des Empfangs der reinen Sinuswellenform ist die Bandbreite des empfangenen Signals gleich dem Frequenzabweichungsfehler zwischen dem empfangenen Trägersignal und dem VCO. Daher wird die Bandbreite der I- und Q- Signale nach der Frequenzumsetzung auf den Frequenzbereich
• (max) (0, fFrequenzabweichung)
• beschränkt.
• Entsprechend kann das Signal nach dem Tiefpaßfilter auf 2 x (max) fFrequezabweichung= 1/T' niedergetastet werden, ohne daß das Nyquist-Kriterium für abgetastete Datensignale verletzt wird.
• Die durch den Dezimator verarbeiteten, tiefpaßgefilterten und frequenzumgesetzten Quadratursignale werden dann an einen Basisband-Diskriminator weitergeleitet, bei dem es sich um einen Vektorprodukt-Diskriminator handelt. Der Ausgang eines solchen Diskriminators bei sinusförmigen Quadratursignalen bei einer Kreisfrequenz von DW rad/s kann
• VKreis = Asin(DWT')
• lauten, wobei T' wie oben beschrieben definiert und A eine Proportionalitätskonstante ist. Bei einem reinen Sinuswelleneingang an den Empfänger ist der Ausgang des Diskriminators daher ein Gleichstromsignal, dessen Amplitude proportional zur Frequenzabweichung zwischen der empfangenen Trägerfrequenz und der VCO-Frequenz ist.
• Der Ausgang des Vektorprodukt-Diskriminators, wird anschließend an zwei getrennte Blöcke-weitergeleitet. Der erste Block, ein Tiefpaßfilter, der als IIR-Filter erster Ordnung implementiertist, glättet den Ausgang des Vektorprodukt-Diskriminators, umso die Auswirkungen von Eingängsrauschen zu eliminieren. Der zweite Block, ein Detektor für reine Sinuswellenformen, erkennt das Vorhandensein einer reinen Sinuswellenform und ermöglicht so, daß der Ausgang des ersten Blocks für die Verbindung mit dem übrigen AFC-Schleifenschaltkreis freigegeben wird. Der Detektor für reine Sinuswellenformen besteht- aus einem Mittelwert- und Abweichungskalkulator und einem Komparator. Der Mittelwert- und Abweichungskalkuiator berechnet den Mittelwert
• und die Abweichung
• des Diskriminatorausgangs. Bei einem reinen Sinuswelleneingang ist der Mittelwert M gleich dem Frequenzfehler, während die Abweichung s² gering ist. Bei Datensignalen oder Rauschen ist die Abweichung dagegen groß. Die Abweichung s² wird daher in einen Komparator eingegeben, der sie mit einem Schwellenwert für die Abweichung vergleicht und den AFC-Sperrschalter am Ausgang des Diskriminators LPF schließt, falls die Abweichung unter dem Schwellenwert liegt.
• Der Ausgang des AFC-Sperrschalters wird danach an den AFC- Verstärkungsterm K (der die AFC-Schleifendynamik bestimmt), an einen Integrator und einen Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) weitergeleitet. Der Ausgang des D/A-Wandlers wird an den VCO geleitet, um eine etwaige Frequenzabweichung zwischen dem übertragenen Trägersignal und der VCO-Referenzfrequenz des Empfängers zu eliminieren.
• Zusammenfassend wird ein Verfahren und eine Vorrichtung für die automatische Frequenznachregelung (AFC) von reinen Sinuswellenformen (PSW) bereitgestellt. Die Erfindung umfaßt die Selektion, um Frequenzunterschiede zwischen einer empfangenen reinen Sinuswellenform und einer Referenzfrequenz zu erkennen, die Integration der Frequenzunterschiede, um einen Mittelwert aus den Unterschieden zu bilden, und die Einstellung der Referenzfrequenz, um den Frequenzunterschied zu eliminieren.
• Die Erfindung ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß die empfangene reine Sinuswellenform um 90º phasenverschoben digitalisiert wird, daß die empfangene reine Sinuswellenform mit einer komplexen Sinuswellenform gemischt wird, um die Sinuswellenform auf 0 Hz zu verschieben, daß die gemischte Sinuswellenform einer Quadraturfilterung unterworfen wird, daß eine Vektorprodukt-Selektion durchgeführt wird, um Frequenzunterschiede zwischen einer empfangenen reinen Sinuswellenform und einer Referenzfrequenz zu erkennen, daß die Frequenzunterschiede integriert werden, um einen Mittelwert aus den Unterschieden zu bilden, daß der Mittelwert/Unterschied zwischen der reinen Sinuswellenform und der Referenzfrequenz selektiv ermittelt wird und daß die Referenzfrequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators eingestellt wird, um den Frequenzunterschied zu eliminieren.
• Die Erequenzeinstellung kann bereits bei geringfügigen Abweichungen zwischen der reinen Sinuswellenform,und der Referenzwellenform aktiviert werden. Alternativ dazu kann sie auch bei größeren Abweichungen aktiviert werden.
• Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben und abgebildet wurde, weiß der Fachmann, daß weitere Variationen und Modifizierungen dieser Erfindung implementiert werden können. So kann der IIR-Filter z.B. durch einen äquivalenten FIR-Filter ersetzt werden; die Dezimatoren können durch eine einfachere Implementierung ersetzt werden (die jedoch mehr Berechnungen pro Sekunde erfordert); außerdem kann der Vektorprodukt-Diskriminator durch eine andere Diskriminatorstruktur ersetzt werden. Zusätzlich kann der digitale Teil der Hardware in Form eines digitalen Signalverarbeitungs-IC oder als diskrete Hardware implementiert werden.

Claims (11)

1. Verfahren für eine digitale automatische Frequenznachregelung (AFC) reiner Sinuswellenbursts (PSW-Bursts) eines empfangenen Signals, wobei das- Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

Vektorprodukt-Selektion mit Bezug auf eine Referenzfrequenz, um Frequenzunterschiede zwischen dem empfangenen Signal und einer Referenzwellenform (20) zu erkennen,

Integration der Frequenzunterschiede zwischen dem PSW- Burst des empfangenen Signals und der Referenzfrequenz, um einen Mittelwert (30) der Unterschiede zu bilden, und

Einstellung der Referenzfrequenz, um den Frequenzunterschied während des Empfangs des PSW-Bursts des empfangenen Signals (40) zu eliminieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor der Selektion das empfangene Signal mit einer komplexen sinusförmigen Referenzwellenform gemischt wird, um es auf 0 Hz zu verschieben (50).

3. Verfahren nach-Anspruch 2, wobei zwischen der Mischung und der Selektion eine Quadraturfilterung des gemischten Signals (60) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei vor der Mischung das empfangene Signal (70) um 90º phasenverschoben digitalisiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch, 1, wobei die Einstellung weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß die Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators (80) eingestellt wird (40), um den Frequenzunterschied währen& des Empfangs des PSW- Bursts des empfangenen Signals zu eliminieren.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Selektionsschritt den Teilschritt der Vektorprodukt-Selektion mit Bezug auf eine Referenzfrequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators enthält, um Frequenzunterschiede zwischen einem empfangenen Signal und einer Referenzwellenform zu erkennen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, das weiter die folgenden Schritte enthält:

90º phasenverschobene Digitalisierung des empfangenen Signals,

Mischung des empfangenen Signals mit einer komplexen sinusförmigen Referenzwellenform, um es auf 0 Hz zu verschieben, und

Quadraturfilterung des gemischten Signals.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 7, wobei der Unterschied (90) zwischen dem empfangenen Signal, und der Referenzwellenform für die selektive Aktivierung der Frequenzeinstellung verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter durch den Schritt der Deaktivierung der Frequenzeinstellung gekennzeichnet ist, um den Frequenzunterschied während des Empfangs des empfangenen Signals dann zu eliminieren, wenn der PSW- Burst nicht empfangen wird.

10. Einrichtung für die digitale automatische Frequenznachregelung (AFC) eines empfangenen Signals mit einem reinen Sinuswellenburst (PWS-Burst), wobei die Einrichtung durch folgende, in Reihe geschaltete Mittel gekennzeichnet ist:

Mittel für die Vektorprodukt-Selektion mit Bezug auf eine Referenzfrequenz, um Frequenzunterschiede zwischen einem empfangenen Signal und einer Referenzwellenform zu erkennen,

Mittel für die selektive Aktivierung der Frequenzeinstellung während des Empfangs des PSW-Bursts des empfangenen Signals, und

Mittel für die Integration der Frequenzunterschiede zwischen dem PSW-Burst des empfangenen Signals und der Referenzwellenform, um einen Mittelwert aus den PSW-Unterschieden zu bilden und die Referenzfrequenz so einzustellen, daß der PSW-Frequenzunterschied aufgehoben ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, die ferner enthält:

Mittel für die um 90º phasenverschobene Digitalisierung des empfangenen Signals,

Mittel für die Mischung des empfangenen Signals mit einer komplexen sinusförmigen Referenzwellenform, um es auf 0 Hz zu verschieben, und

Mittel für die Quadraturfilterung des gemischten Signals.