FI96257C - Menetelmä radiotaajuisen signaalin vaihevirheen määrittämiseksi, sekä vastaanotin - Google Patents

Description

96257

Menetelmä radiotaajuisen signaalin vaihevirheen määrittämiseksi, sekä vastaanotin Tämän keksinnön kohteena on menetelmä vastaanotetun 5 radiotaajuisen signaalin vaihevirheen määrittämiseksi, jossa menetelmässä lasketaan vastaanotetun signaalin im-pulssivaste, valitaan mittauskohdat signaalista ja otetaan näytteitä valittujen mittauskohtien ympäristöstä, suodatetaan näytteet kompleksisella sovitetulla suodattimena, 10 mitataan näytteiden vaihevirhe suodatustuloksesta, ja las ketaan vastaanotetun signaalin kokonaisvaihevirhe mitatun vaihevirheen perusteella. Keksinnön kohteena on lisäksi vastaanotin radiotaajuisen signaalin vastaanottamiseksi, joka vastaanotin käsittää: välineet vastaanotetun signaa-15 Iin impulssivasteen laskemiseksi, näytteenottovälineet näytteiden ottamiseksi signaalista valituista mittauskoh-dista,kompleksisen sovitetun suodatinvälineen näytteiden suodattamiseksi, mittausvälineet suodatettujen näytteiden vaihevirheen mittaamiseksi, mittausvälineille vasteelliset 20 laskinvälineet vastaanotetun signaalin kokonaisvaihevir- heen laskemiseksi mitatun vaihevirheen perusteella, ja kompensointivälineet vastaanotetun signaalin vaihevirheen kompensoimiseksi.

Tämä keksintö liittyy erityisesti digitaalisiin 25 matkapuhelinjärjestelmiin, kuten esimerkiksi GSM-(Groupe

Special Mobile) ja DCS-järjestelmiin (Digital Cellular System). Esimerkiksi GSM-järjestelmän tilaajalaite käyttää taajuusreferenssinään tukiasemalta vastaanottamaansa signaalia. Tilaajalaitteen ollessa paikallaan taajuussynkro-30 nointi toimii hyvin, mutta kun tilaajalaite liikkuu aiheuttaa Doppler-ilmiö taajuusvirheen, joka on suoraan verrannollinen matkapuhelimen nopeuteen. Tukiaseman näkemä taajuusvirhe on kaksinkertainen tilaajalaitteen näkemään taajuusvirheeseen verrattuna, minkä vuoksi taajuusvirhe on 35 ongelmallisempi tukiaseman kannalta. DCS-järjestelmässä 2 96257 ongelma on lisäksi GSM-järjestelmään verrattuna kaksi kertaa suurempi johtuen kaksinkertaisesta kantotaajuudesta.

Doppler-ilmiön lisäksi saattaa tilaajalaitteen lähettimen taajuusvirhe aiheuttaa lisää taajuusvirhettä tu-5 ki-aseman vastaanottopuolella. GSM-spesifikaatioissa taajuusvirhettä sallitaan tilaajalaitteen lähettimessä 90 Hz ja DCS-järjestelmässä 180 Hz. Viallisessa tilaajalaitteessa kyseinen arvo voi kuitenkin ylittyä huomattavasti.

Ennestään tunnetaan ratkaisu tilaajalaitteen taa-10 juusvirheen mittaamiseksi ja kompensoimiseksi, jossa menetelmässä tajuusvirhe lasketaan purskeen alku- ja loppupään vaihevirheen perusteella. Kun vaihevirhe tunnetaan voidaan sen avulla laskea vastaanotetun signaalin taajuusvirhe. Tässä tunnetussa ratkaisussa käytetään mittauksessa hyväk-15 si kompleksisen sovitetun suodattimen ominaisuuksia. Tämän suodattimen jälkeen signaalin vaihevirhe on nolla, ja kiinteän taajuusvirheen tapauksessa vaihevirhe kasvaa lineaarisesti vastaanotetun purskeen reunoille edetessä.

Edellä mainitun tunnetun menetelmän heikkoutena on 20 pieni mittauskaista. Suuret taajuusvirheet aiheuttavat nimittäin purskeen reunoille suuren vaihevirheen, ja suurilla vaihevirheillä (>60°) ilmenee mittausvirheitä sig-naalitilakaavion kiertyessä liikaa. Näin ollen tällä tunnetulla menetelmällä voidaan mitata ainoastaan pieniä taa-25 juusvirheitä (alle 400-500 Hz). Käytännössä on osoittautunut, että kun taajuusvirhe on kasvanut liian suureksi on mittausalgoritmi havainnut väärän taajuuden, jolloin taajuusvirheen korjaus on epäonnistunut.

Tämän keksinnön päämäärä on ratkaista edellä mai-30 nittu ongelma, ja tarjota käyttöön menetelmä, jonka avulla voidaan mitata huomattavasti suurempia vaihevirheitä kun tunnetuilla menetelmillä. Tämä päämäärä saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista, että valitaan mittauskohdat ajallisesti aikaisemmin vas-35 taanotetuista signaaleista mitattujen vaihevirheiden pe- 3 96257 rusteella siten, että mittauskohtien vaihevirhe pysyy ennalta määrättyjen rajojen välissä.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että siirtämällä mittauskohtia purskeessa, voidaan mittauslaitteis-5 tolia mitata huomattavasti aikaisempaa suurempia vaihe- ja taajuusvirheitä. Vastaavasti pienten taajuus- ja vaihevir-heiden mittaustarkkuutta voidaan parantaa mittauskohtia siirtämällä. Mittauskohtien siirtyminen huomioidaan purs-keen kokonaisvaihevirhettä laskettaessa. Keksinnön mukai-10 sen menetelmän merkittävimmät edut ovat näin ollen, että sen avulla voidaan määrittää entistä suurempia vaihe- ja taajuusvirheitä, ja että pienten vaihe- ja taajuusvirhei-den mittaustarkkuus paranee.

Keksinnön tarkoitus on lisäksi tarjota käyttöön 15 vastaanotin, jonka avulla vastaanotetun signaalin taajuus-virhe voidaan korjata keksinnön mukaista menetelmää hyödyntämällä. Tämä päämäärä saavutetaan keksinnön mukaisella vastaanottimella, jolle on tunnusomaista, että vastaanotin käsittää säätövälineet, jotka ajallisesti aikaisemmin mi-20 tattujen vaihevirheiden perusteella säätävät näytteenot- tovälineiden mittauskohtia mitattujen vaihevirheiden pitämiseksi ennalta määrättyjen rajojen välissä.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja vastaanottimen edulliset suoritusmuodot ilmenevät oheisista epäitsenäi-25 sistä patenttivaatimuksista 2 - 5 ja 7 - 10.

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin muutaman keksinnön mukaisen edullisen suoritusmuodon avulla viitaten oheisiin kuvioihin, joista kuvio 1 havainnollistaa sinänsä tunnettua vaihevir-30 heen mittausmenetelmää, kuvio 2 havainnollistaa keksinnön mukaista vaihe-virheen mittausmenetelmää, kuvio 3 esittää vuokaaviota, jonka avulla vastaanotetun purskeen vaihevirhe voidaan määrittää ja korjata, 35 kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen vastaanottimen 4 96257 ensimmäistä edullista suoritusmuotoa, ja kuvio 5 esittää keksinnön mukaisen vastaanottimen toista edullista suoritusmuotoa.

Keksintöä selostetaan jatkossa esimerkinomaisesti 5 GSM-järjestelmään liittyen. GSM-järjestelmää on lähemmin kuvattu esimerkiksi kirjassa "The GSM System for Mobile Communications", M. Moyly ja M-B. Pautet, Palaiseau, France, 1992, ISBN:2-9507190-0-7, minkä vuoksi sitä ei kuvata lähemmin tässä yhteydessä.

10 GSM-spesifikaatioiden mukaan normaali purske muo dostuu kahdesta informaatio-osasta (58 bittiä), joita erottaa purskeen keskiosassa oleva opetusjakso (26 bittiä). Tämän lisäksi purskeeseen kuuluu lyhyt (3 bittiä) alku ja loppujakso, purskeen päissä. Kuten kuviossa 1 on 15 esitetty, on vastaanotetun signaalin taajuusvirhe aikaisemmin määritetty mittaamalla purskeen alku- ja loppupään vaihevirhettä, jolloin mittauskohdat on vastaavasti valittu purskeen päistä. Mittauskohdista on otettu näytteitä SI ja S2 16 bitin matkalta. Mittauksessa on käytetty hyväksi 20 kompleksisen sovitetun suodattimen ominaisuuksia, jolloin vastaanotetun signaalin vaihevirhe on suodatuksen jälkeen nolla purskeen keskiosassa opetusjakson kohdalla. Kun kyseessä on kiinteä taajuusvirhe kasvaa purskeen vaihevirhe lineaarisesti purskeen reunoille edettäessä. Tällöin riit-25 tää kun vaihevirhe estimoidaan purskeen alku- ja loppupäässä.

Kuvio 2 havainnollistaa keksinnön mukaista vaihe-virheen mittausmenetelmää. Alkuvaiheessa mittauskohdat on sovitettu purskeessa olevien mittausalueiden keskikohtiin. 30 Mittausalueella tarkoitetaan tässä yhteydessä niitä kahta aluetta joita rajaa tunnettu opetusjakso purskeen keskiosassa, sekä purskeen häntä (3 bittiä) ja alkupää (3 bittiä). Mittauskohdista otetaan 16 bitin pituiset näytteet SI ja S2.

35 Kun valittujen mittauskohtien vaihevirhe on mitattu 5 96257 lasketaan ennalta määrätyllä aikavälillä mitattujen vaihe-virheiden keskiarvo. Mikäli laskennan tuloksena saatu keskiarvo ei ole ennalta määrättyjen raja-arvojen välissä siirretään mittauskohtia ennen seuraavan purskeen vaihe-5 virheen määritystä siten, että mitattu vaihevirhe saadaan pysymään ennalta määrättyjen rajojen välissä. Eli kun mitattu vaihevirhe on pieni siirretään mittauskohtia kohti purskeen reunoja, ja kun vaihevirhe on suuri siirretään mittauskohtia kohti purskeen keskiosassa olevaa opetusjak-10 soa.

Käytännön kokeet ovat osoittaneet, että kun mitattu vaihevirhe on 60° tai suurempi kiertyy signaalitilakaavio liikaa, eikä vaihevirhettä tällöin voida määrittää jos mittauskohdat ovat purskeen reunoissa. Mittauskohtien 15 siirtäminen keskemmälle vuorostaan johtaa mittaustarkkuuden heikentymiseen. Tästä syystä tarvitaan keksinnön mukaista mittauskohtien dynaamista säätöä.

Kuvio 3 esittää vuokaaviota, jota noudattamalla vastaanotetun purskeen vaihevirhe voidaan määrittää ja 20 korjata. Keksinnön mukainen vaihevirheen laskentamenetelmä perustuu kompleksisen sovitetun suodattimen ominaisuuksiin.

Lohkossa 1 tapahtuvan purskeen vastaanottamisen jälkeen lasketaan lohkossa 2 kanavan impulssivaste. GSM-25 järjestelmässä kanavan impulssivaste lasketaan korreloin-titekniikka käyttäen vastaanotetun purskeen tunnetusta opetusjaksosta, joka sijaitsee purskeen keskellä (vertaa kuviot 1 ja 2). Estimoidut kanavan impulssivasteen tapit syötetään kompleksiselle sovitetulle suodattimelle, joka 30 on täten täysin sovitettu vastaanotettuun signaaliin aina kin purskeen keskiosassa. Tapit ovat kompleksisia ja niitä on 5 pursketta kohden. Tapit on estimoitu yhden bittijakson välein (3,69μ8).

Lohkossa 3 valitaan mittauskohdat vastaanotetusta 35 purskeesta. Mittauskohtien valinta perustuu aikaisemmin 6 96257 vastaanotetuista purskeista mitattuihin vaihevirheisiin, eli käytännössä näiden keskiarvoon, kuten kuvion 2 yhteydessä on selostettu. Tieto aikaisemmista mittaustuloksista saadaan lohkosta 4. Kun mittauskohdat on valittu syötetään 5 vastaanotetun purskeen mittauskohtien ympäriltä näytteet 16 bitin matkalta mainittujen tappien kanssa kompleksiselle sovitetulle suodattimelle.

Lohkossa 5 suoritetaan näytteiden suodatus kompleksisella sovitetulla suodattimena. Suodattimeksi soveltuu 10 esimerkiksi digitaalinen FIR-suodatin. Kun suodatin on täysin sovitettu vastaanotettuun signaaliin, saadaan suodatuksen lopputuloksena reaalinen signaali. Jos vastaanotetussa purskeessa on vaihevirhettä, se näkyy suodatustu-loksessa imaginääriosan kasvuna. Tätä ominaisuutta käyte-15 tään hyväksi vastaanotetun purskeen vaihevirheen estimoin nissa. Suodatustuloksena saadut vektorit summataan yhteen purskeen alkupäässä sellaisenaan ja purskeen loppupäässä vastakkaissuuntaisena. Näin saadaan vaihevektori V, joka osoittaa keskimääräisen vaiheen kääntymisen purskeen kes-20 keitä mittauskohtiin asti.

Signaalin kokonaisvaiheensiirtymäksi β purskeen päissä saadaan vaihevektorin V avulla: β = 2 * arctan(Im(V) / Re(V)) 25

Tuloksen luotettavuuden parantamiseksi purskeen vaihevirhettä β voidaan vielä keskiarvostaa SACCH-kehyksen (Slow Associated Control Channel) ajan.

Lohkossa 6 tuloksena saatu vaihesiirtymä tai vaihe-30 virhe β syötetään lohkolle 4 ja 7. Lohkossa 4 sitä käytetään ennalta määrätyllä aikavälillä mitattujen vaihevir-heiden keskiarvon laskemiseen. Tätä tietoa hyödynnetään seuraavaksi vastaanottovuorossa olevien purskeiden mittauspisteiden valinnassa.

35 Lohkossa 7 korjataan vastanotettua pursketta laske- 7 96257 tun vaihevirheen β perusteella. Taajuusvirheen kompensoin-tivaiheessa jokaisesta purskeesta otettua näytettä korjataan kääntämällä sen vaihetta virhekulman vastaluvun verran.

5 Tämä toteutetaan siten, että aluksi interpoloidaan laskettu vaihevirhe koko purskeen matkalle, eli jos vaihe-virhe β on mitattu esimerkiksi 128 bitin matkalta, saadaan yksittäisen bitin osuudeksi kokonaisvaihevirheestä arvo β/128.

10 Signaalin vaiheen kääntö, eli vaihevirheen korjaus, tehdään kertomalla signaalipisteet, eli kukin näyte (In, Qn) rotaatiomatriisilla. Korjatut signaalipisteet saadaan näin ollen laskettua kaavasta: 15 I ij I cos (-an) -sin (-an)l * [ In Q„J Isin (-an) cos (-ctjJ Qn jossa an on bitin n estimoitu ja interpoloitu vaihevirhe.

Kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen vastaanottimen 20 ensimmäistä edullista suoritusmuotoa. Kuviossa 4 on esitetty GSM-tukiaseman vastaanotinyksikkö, joka mittaa vastaanotetun purskeen vaihevirhettä kuvion 3 lohkokaaviota noudattamalla. Antennilla 10 vastaanotettu radiotaajuinen purske syötetään vastaanottimeen 11. Vastaanotin 11 purkaa 25 sille syötetyn signaalin oskillaattoria LO hyödyntämällä, jonka jälkeen vastaanotettu signaali syötetään AD-muunti-melle. AD-muuntimen lähdöstä saatavat näytteet syötetään impulssivasteen laskentayksikölle 12, mittauslohkolle 13 ja kompensointiyksikölle 18.

30 Impulssivasteen laskentayksikkö laskee kanavan im pulssivasteen sinänsä tunnetulla tavalla, ja syöttää estimoidut kanavan impulssivasteen tapit mittauslohkolle 13.

Mittauslohko 13 valitsee mittauskohdat vastaanotetusta purskeesta laskimen 14 laskeman mitatun vaihevirheen „ 96257 keskiarvon perusteella siten, että mitattu vaihevirhe pysyy välillä 0* - 60*, edullisesti välillä 20* - 40*. Mit-tauslohkossa otetaan seuraavaksi näytteitä valituista mit-tauskohdista siten, että kummastakin mittauskohdasta ote-5 taan näytteitä 16 bitin matkalta. Seuraavaksi näytteet suodatetaan kompleksisella sovitetulla suodattimena. Jos vastaan-otetussa purskeessa on vaihevirhettä se näkyy ima-ginääriosan kasvuna suodatustuloksessa.

Mitatusta vaihevirheestä syötetään tieto laskimelle 10 14, jossa sitä käytetään kokonaisvaihevirheen laskemiseen kuvion 3 yhteydessä esitetyllä tavalla, sekä mitattujen vaihevirheiden keskiarvon laskemiseen. Laskimen 14 laskema keskimääräinen mitattu vaihevirhe syötetään mittauslohkolle 13. Kompensointiyksikölle 18 laskin 14 syöttää signaa-15 Iin kompensointiin tarvittavat tiedot.

Kompensointiyksikkö 18 korjaa vastaanotetusta signaalista otettuja näytteitä vaihevirheen (eli taajuusvir-heen) vaikutuksen poistamiseksi niistä, kertomalla kukin näyte kuvion 3 yhteydessä esitetyllä rotaatiomatriisilla. 20 On edullista, että kompensointi tapahtuu nimenomaan keski määräisen vaihevirheeseen perustuen, koska tällöin mahdollisten hetkellisten häiriöiden aiheuttamia vaikutuksia voidaan minimoida. Kompensointiyksikön korjaamat näytteet syötetään vastaanotettuun signaaliin sovitetulle suodatti-25 melle 17. Suodattimen 17 lähdöstä saadut signaalit syötetään viterbidetektorille 15, jossa monitie-etenemisestä johtuva keskinäisvaikutus poistetaan. Viterbidetektorin 15 lähtösignaali syötetään kanavadekooderille 16, jossa vastaanotettu signaali dekoodataan sinänsä tunnetulla taval-30 la.

Kuvio 5 esittää keksinnön mukaisen vastaanottimen toista edullista suoritusmuotoa. Kuviossa 5 on esitetty GSM-tukiaseman vastaanotinyksikkö, joka vastaa kuvion 4 vastaanotinta, sillä poikkeuksella, että kompensointiyk-35 sikkö 18 on yhdistetty laskimeen 14. Tällöin laskin 14 11.

9 96257 säätää keskimääräisen kokonaisvaihevirheen perusteella vastaanottimen 11 paikallisoskilaattoria LO siten, että vaihevirhe (eli taajuusvirhe) saadaan kompensoitua.

On ymmärrettävä, että edellä oleva selitys ja sii-5 hen liittyvät kuviot on ainoastaan tarkoitettu havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Näin ollen keksinnön mukaista menetelmää voidaan hyödyntää myös muissa yhteyksissä kuin edellä esimerkinomaisesti selostetun GSM-jär-jestelmän yhteydessä. Keksinnön mukaisen menetelmän ja 10 vastaanottimen edulliset suoritusmuodot voivat näin ollen vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (11)

10 96257

1. Menetelmä vastaanotetun radiotaajuisen signaalin vaihevirheen määrittämiseksi, jossa menetelmässä 5 lasketaan vastaanotetun signaalin impulssivaste, valitaan mittauskohdat signaalista ja otetaan näytteitä (SI, S2) valittujen mittauskohtien ympäristöstä, suodatetaan näytteet (SI, S2) kompleksisella sovitetulla suodattimena, 10 mitataan näytteiden (SI, S2) vaihevirhe suodatustu- loksesta, ja lasketaan vastaanotetun signaalin kokonaisvaihevir-he mitatun vaihevirheen perusteella, tunnettu siitä, että 15 valitaan mittauskohdat ajallisesti aikaisemmin vastaanotetuista signaaleista mitattujen vaihevirheiden perusteella siten, että mittauskohtien vaihevirhe pysyy ennalta määrättyjen rajojen välissä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n-20 n e t t u siitä, että valitaan mittauskohdat laskemalla aikaisemmin mitattujen vaihevirheiden keskiarvo, jolloin mittauskohdat valitaan siten, että mitattu vaihevirhe pysyy ennalta määrättyjen rajojen välissä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, 25 tunnettu siitä, että ennalta määrätyt rajat ovat välillä 0° - 60°, edullisesti välillä 20° - 40°.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että radiotaajuinen signaali on digitaalisen matkapuhelinjärjestelmän, edullisesti

30 GSM-järjestelmän, vastaanottimen vastaanottama purske.

„ 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että purskeesta valitaan kaksi mittaus-kohtaa, joista toinen ennen purskeen opetusjaksoa ja toinen sen jälkeen, jolloin molemmista mittauskohdista ote-35 taan näytteitä 16 bitin matkalta.

6. Vastaanotin radiotaajuisen signaalin vastaanottamiseksi, joka vastaanotin käsittää: tt 11 96257 välineet (12) vastaanotetun signaalin impulssivas-teen laskemiseksi, näytteenottovälineet (13) näytteiden ottamiseksi signaalista valituista mittauskohdista, 5 kompleksisen sovitetun suodatinvälineen (13) näyt teiden suodattamiseksi, mittausvälineet (13) suodatettujen näytteiden vai-hevirheen mittaamiseksi, mittausvälineille (13) vasteelliset laskinvälineet 10 (14) vastaanotetun signaalin kokonaisvaihevirheen laskemi seksi mitatun vaihevirheen perusteella, ja kompensointivälineet (14, LO; 18) vastaanotetun signaalin vaihevirheen kompensoimiseksi, tunnettu siitä, että 15 vastaanotin käsittää säätövälineet (13), jotka ajallisesti aikaisemmin mitattujen vaihevirheiden perusteella säätävät näytteenottovälineiden mittauskohtia mitattujen vaihevirheiden pitämiseksi ennalta määrättyjen rajojen välissä.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen vastaanotin, tunnettu siitä, että säätövälineet (13) säätävät näytteenottovälineiden mittauskohtia aikaisemmin mitattujen vaihevirheiden keskiarvon perusteella.

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen vastaan-25 otin, tunnettu siitä, että vastaanotin on digitaalisen matkapuhelinjärjestelmän, edullisesti GSM-järjestelmän, vastaanotin, ja että mainittu signaali on radiopurs-ke.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 6-8 mukainen vas-30 taanotin, tunnettu siitä, että kompensointivälineet (14, LO; 18) kompensoivat vastaanotettua signaalia lasketun vaihevirheen perusteella.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 6-8 mukainen vastaanotin, tunnettu siitä, että kompensointiväli- 35 neet (14, LO; 18) kompensoivat vastaanotettua signaalia laskettujen kokonaisvaihevirheiden keskiarvon perusteella. 12 96257