DE19925925B4

DE19925925B4 - Verfahren zur Übertragung von Funksignalen und Empfänger zum Empfang von Funksignalen

Info

Publication number: DE19925925B4
Application number: DE19925925A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schaefer; Frank Hofmann; Christian Hansen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: US6822953B1; JP4510236B2; DE19925925A1; JP2001024603A

Abstract

Verfahren zur Übertragung von Funksignalen mittels orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM), wobei ein Rundfunkprogramm auf verschiedenen Trägersignalen gesendet wird, wobei der Benutzer ein Rundfunkprogramm auswählt, wobei die Funksignale eine Identifikationsnummer für das jeweilige Rundfunkprogramm aufweisen, wobei die Signalqualität des ausgewählten Rundfunkprogramms laufend in Abhängigkeit von den Trägersignalen, auf denen das Rundfunkprogramm empfangen wird, ermittelt wird, wobei die Identifikationsnummer und die Signalqualität für das Rundfunkprogramm aus den Funksignalen, die Testsymbole (7) aufweisen, ermittelt werden und dann das Trägersignal für den Empfang des ausgewählten Rundfunkprogramms verwendet wird, das zu der besten Signalqualität führt, wobei aus den Testsymbolen (7) die Identifikationsnummer für das vom Benutzer gewählte Rundfunkprogramm ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Testsymbol (7) mittels Quadratphasenumtastung moduliert wird.

Description

Die Erfindung geht aus von ein Verfahren zur Übertragung von Funksignalen bzw. von einen Empfänger zum Empfang von Funksignalen nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.

Es ist bereits aus P. Bureau: „Compatible digital broadcasting for AM radio bands", IBE, März 1999, Seite 53 bis 54 bekannt, daß für Rundfunk im Kurzwellen-, Mittelwellen-, und Langwellenbereich ein digitales Übertragungsverfahren auf Basis von OFDM eingesetzt werden soll. Es ist geplant, dieses sogenannte „Digital Radio Mondiale"-System (DRM) kompatibel zum Frequenzraster der analogen Kurzwellen-, Mittelwellen-, und Langwellenübertragungsverfahren zu gestalten. Dabei wird auch beibehalten, daß ein Rundfunkprogramm auf mehreren Frequenzen gesendet werden kann.

Bei FM/RDS nach dem ETSI-Standard EN 50067 mit dem Titel „Specification of the Radio Data System (RDS) for VHF/FM sound broadcasting in the frequency range from 87.5 to 108.0 MHz" erfolgt der Wechsel zu einer alternativen Frequenz für ein Rundfunkprogramm, wobei die Identifikationsnummer des jeweiligen Rundfunkprogramms, die im RDS-Signal enthalten ist, nach dem Frequenzwechsel ausgewertet wird.

Aus nachveröffentlichten EP 105 09 84 A1 mit älterem Zeitrang ist eine Alternativfrequenzstrategie für DRM (digital radio mondi- al) bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, für Testsymbole eine Modulationstechnik vorzusehen, die besonders störsicher ist und mit einer besonders geringen Anzahl von Symbolen bei der Demodulation auskommt. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Empfänger gemäß Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. der erfindungsgemäße Empfänger mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß der Empfänger für ein vom Benutzer gewähltes Rundfunkprogramm den Sender sucht, der die beste Signalqualität aufweist. Dabei werden vorteilhafterweise Testsymbole, die mittels Quadratphasenumtastung moduliert sind, verwendet. Die Suche ist vom Benutzer ab- geschirmt, so daß der Benutzer zum Beispiel nur den Namen des betreffenden Rundfunkprogramms angeben wird. Da der Sender mit der besten Empfangsqualität gesucht wird, wird jeweils die beste Empfangsqualität für den Benutzer ermöglicht. Weiterhin ist von Vorteil, daß das Rundfunkprogramm durch eine Identifikationsnummer, die der Empfänger aus den Funksignalen ermittelt, vom Empfänger erkannt wird. Dadurch wird eine eindeutige Zuordnung des empfangenen Rundfunkprogramms durch den Empfänger gewährleistet.

Besonders vorteilhaft ist, daß für ein Rundfunkprogramm, das auf mehr als einer Sendefrequenz übertragen wird, ein Wechsel des Trägersignals unterbrechungsfrei vorgenommen wird. Ein Benutzer, der zum Beispiel Musik hört, wird dabei keine Unterbrechung der Musiksendung bemerken. Dieser Wechsel wird vorteilhafter Weise dann vorgenommen, wenn die Signalqualität auf dem neuen Trägersignal besser ist als auf dem bisheri- gen. Von Vorteil ist hierfür, daß die Bestimmung der Identifikationsnummer und die Bestimmung der Signalqualität des jeweiligen Rundfunkprogramms vor dem eigentlichen Wechsel der Sendefrequenz vorgenommen wird, um zu gewährleisten, daß auf dieser Frequenz auch wirklich das identische Programm ausgestrahlt wird und nicht das einer anderen Sendeanstalt. Das ermöglicht den unterbrechungslosen Empfang des Rundfunkprogramms bei einem Wechsel des Trägersignals.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Daten über die Trägersignale, insbesondere die Sendefrequenzen, auf denen dasselbe Rundfunkprogramm ausgestrahlt wird, aus den Funksignalen vom Empfänger ermittelt werden, so daß der Empfänger für ein vom Benutzer gewähltes Rundfunkprogramm diese unterschiedlichen Trägersignale im Hinblick auf ihre Signalqualität überprüft und das Trägersignal, auf der das vom Benutzer gewählte Rundfunkprogramm mit der besten Signalqualität empfangen wird, auswählt.

Um dem Empfänger Zeit für eine unterbrechungsfreie Überprüfung der anderen zur Verfügung stehenden Sendefrequenzen bereitzustellen, sind vorteilhafterweise Testsymbole vorgesehen, aus denen der Empfänger die Identifikationsnummer des jeweiligen Rundfunkprogramms ermittelt.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, daß durch eine entsprechende Abwandlung der Symboldauer des Testsymbols ohne Ermittlung der Identifikationsnummer mittels Korrelati- onsverfahren sichergestellt wird, daß es sich um dasselbe Rundfunkprogramm, welches vom Benutzer ausgewählt wurde, handelt, weil die verschiedenen Sendeanstalten ihre Ausstrahlung nicht miteinander synchronisieren werden.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, daß mittels Pilotträgern die Referenzphase und die Referenzamplitude in einfacher Weise für die kohärente Demodulation eines digitalen Modulationsverfahren, z. B. QPSK, ermittelt werden.

Durch den Einsatz eines digitalen Modulationsverfahrens ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Signalqualität durch die Abweichung der Amplitude und der Phase des empfangenen Funksignals von der erwarteten Amplitude und Phase zu bestimmen. Eine geeignete Bewertung aller Abweichungen, wie z. B. der Durchschnittswert, die für ein Testsymbol vorkommen, wird als Maß für die Signalqualität genommen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Testsymbole durch eine Korrelation mit dem Schutzintervall der Testsymbole erkannt werden. Dabei nutzt man die Eigenschaft der OFDM-Symbole aus, daß das Schutzintervall eine Kopie des Symbolendes und gleichzeitig eine periodische Fortsetzung des Symbols ist.

In einer vorteilhaften Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, daß Zustandsinformationen, wie zum Beispiel Frequenz- und Verstärkungseinstellungen, im Empfänger für das momentan benutzte Trägersignal abgespeichert werden, so daß der Empfänger, nachdem er die Signalqualität auf den alternativen Trägersignalen überprüft hat, wieder zum ursprünglich benutzten Trägersignal mit den gleichen Einstellungen in einfacher Weise zurückkehrt.

Weiterhin ist es von Vorteil, daß die Symboltakteinstellung des Datenstroms, der für die Darstellung des vom Benutzer gewählten Rundfunkprogramms ermittelt wurde, auch für den Symboltakt auf den Alternativfrequenzen verwendet wird.

In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, daß Zustandsinformationen über den Empfänger, wie zum Beispiel Verstärkungs- und Frequenzeinstellungen, im Empfänger für ein erfolgreich geprüftes Trägersignal auf einer alternativen Frequenz abgespeichert werden, so daß der Empfänger bei einer späteren Überprüfung oder einem dauerhaften Wechsel mit besseren Startwerten für den Empfang beginnen kann.

Darüber hinaus ist von Vorteil, daß der erfindungsgemäße Empfänger es erlaubt, daß nur ein Empfangsteil für die Überwachung der alternativen Trägersignale notwendig ist. Daher führt die Erfindung zu einem einfachen und verbesserten Produkt.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Empfängers,
2 ein Schema zur Bestimmung der zeitlichen Korrelation,
3 ein Konstellationsdiagramm bei Phasenumtastung,
4 Testsymbole eines Rundfunkprogramms bei verschiedenen Frequenzen und mit verschiedenen Verzögerungszeiten,
5 ein Testsymbol mit Daten- und Pilotträgern sowie Sequenzen zu Synchronisation,
6 ein Flußdiagramm, das die Identifizierung der alternativen Trägersignale beschreibt, und
7 ein Flußdiagramm, das die Frequenzsynchronisation beschreibt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist schematisch der Aufbau eines Empfängers mittels eines Blockschaltbildes dargestellt. Eine Antenne 1 ist mit einem Empfangsteil 2 verbunden. Die Funksignale werden mit der Antenne 1 empfangen und gelangen dann in den Empfangsteil 2. Im Empfangsteil 2 werden die empfangenen Funksignale gefiltert, verstärkt, in eine Zwischenfrequenz umgesetzt und digitalisiert. Die Filterung erfolgt aufgrund des vom Benutzer gewählten Rundfunkprogramms, das vom Empfangsteil 2 als eine Empfangsfrequenz interpretiert wird. Die Einstellungen im Empfangsteil 2 für ein empfangenes Rundfunkprogramm werden jeweils abgespeichert, um später mit nicht zufälligen Werten für diese Einstellungen zu beginnen. Solche Einstellungen betreffen zum Beispiel die Empfangsfilter, die Signalverstärkung, die Frequenzsynchronisation und den Zeitversatz einiger Signale bezüglich des Datenstroms.
Das Empfangsteil 2 ist mit einem Dateneingang und einem Datenausgang mit einem Prozessor 3 verbunden. Über diesen Dateneingang erhält das Empfangsteil 2 vom Prozessor 3 die Daten, die beinhalten, welche Frequenzen aus den empfangenen Funksignalen herauszufiltern sind.
Über den Datenausgang des Empfangsteils 2 ist auch ein Prozessor 25 angeschlossen, der eine schnelle Fouriertransformation (engl. Fast Fourier Transformation [FFT]) durchführt. Die FFT ist eine bekannte Methode, um ein Zeitsignal in den Frequenzbereich zu überführen. Diese Transformation in den Frequenzbereich ist notwendig, um dann eine Frequenzsynchronisation und die Demodulation der auf die Unterträger des orthogonalen Frequenzmultiplex modulierten Datensignale durchzuführen. Das Ergebnis der FFT wird an den Prozessor 3 und einen Demodulator 4 übergeben.
Der Prozessor 3 ist auch an den Demodulator 4 angeschlossen. Der Prozessor 3 übergibt dem Demodulator 4 Daten bezüglich der zeitlichen Synchronisation, zum Beispiel den Rahmenbeginn und den Beginn eines Symbols.
Die demodulierten Signale gelangen vom Demodulator 4 zu einer Signalverarbeitung 5. In der Signalverarbeitung 5 werden die demodulierten Signale weiterverarbeitet, so daß sie von einer Darstellung 6 dargestellt werden können. Die Darstellung 6 ist typischerweise ein Lautsprecher, aber auch ein Monitor ist möglich.
Es werden hier Funksignale im orthogonalen Frequenzmultiplex (engl. Orthogonal Frequency Division Multiplex [OFDM]) übertragen, wobei der insgesamt verwendete Frequenzbereich der Kurzwelle, Mittelwelle und Langwelle entspricht. Die zu übertragenden Daten werden auf mehrere Unterträger verteilt, wobei sich die auf die Unterträger verteilten Funksignale nicht stören. Beim Empfang eines Rundfunkprogramms ist daher der Frequenzbereich, auf den die Funksignale eines Rundfunkprogramms verteilt werden, herauszufiltern.
Der orthogonale Frequenzmultiplex ist insbesondere für Funksysteme geeignet, da diese Methode für Funksignale konzipiert wurde, die Mehrwegeausbreitung erfahren. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn ein Funkkanal eine frequenzabhängige Dämpfung aufweist. Es ist daher von Vorteil, wenn das Signal nicht nur bei einer Frequenz übertragen wird, und damit im schlechtesten Fall einer sehr hohen Dämpfung unterliegt, während bei anderen Frequenzen das Signal viel geringer gedämpft werden würde. Verteilt man das Signal über einen größeren Frequenzbereich ist wegen des frequenzselektiven Signalschwundes die Wahrscheinlichkeit gering, daß das gesamte Signal einer starken Dämpfung unterliegt.
Die Wellenausbreitungseigenschaften bei Kurzwelle, Mittelwelle und Langwelle rufen Mehrwegeausbreitung hervor. Aufgrund von Gebäuden, der Landschaft und hauptsächlich den atmosphärischen Schichten werden die Funksignale aufgrund dieser Gegebenheiten reflektiert und gestreut, so daß sich mehrere Wege für das Funksignal von einem Sender zu einem Empfänger ergeben. Dieses Phänomen wird mit Mehrwegeausbreitung beschrieben und führt dazu, daß unterschiedliche Teile der Funksignale eines Senders mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten am Empfänger ankommen, so daß sich die Funksignale des Senders am Empfänger überlagern und es damit zur sogenannten Intersymbol-Interferenz kommt.
Des weiteren werden die Funksignale in Abhängigkeit von dem Weg, den sie von einem Sender zu einem Empfänger zurücklegen, unterschiedlich gedämpft. Die Dämpfung und die Verzögerungszeiten bestimmen also hier die Übertragungseigenschaften eines Funkkanals.
Man erhält am Empfänger ein Signal, das durch all diese Effekte gleichzeitig beeinflußt wird, wobei Amplitude und Phasenlage des empfangenen Signals die Gesamtheit dieser Störungen enthalten. Die Kanalentzerrung hat daher die Aufgabe, in Verbindung mit der Kanalkodierung die Gesamtheit der Übertragungseigenschaften des Funkkanals zu kompensieren. Bei der Kanalkodierung werden redundante Daten den Nutzdaten hinzugefügt, um mittels dieser Redundanz zerstörte Daten im Empfänger wiederherstellen zu können.
Um die Übertragungseigenschaften eines Funkkanals zu bestimmen, werden den OFDM-Funksignalen Pilotträger hinzugefügt. Diese Pilotträger sind in ihrer ursprünglichen Form im Empfänger abgespeichert. Durch einen Vergleich von empfangenen und abgespeicherten Piloten im Empfänger werden die Übertragungseigenschaften des Funkkanals zum Beispiel in der bei dem bekannten DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrical) üblichen Art und Weise bestimmt.
Mathematisch und praktisch wird dies mit einem üblichen Verfahren der Korrelation durchgeführt. Das Ergebnis der Korrelation liefert die Kanalschätzung mit den vollständigen Übertragungseigenschaften.
Die Korrelation ist eine Technik, wobei in eine Korrelationseinheit als Eingabedaten das empfangene Signal und das abgespeicherte ursprüngliche Signal eingegeben werden. Am Ausgang der Korrelationseinheit erhält man ein Signal, das die Änderungen, die das empfangene Signal in Abhängigkeit von den Übertragungseigenschaften des Funkkanals erfahren hat, widerspiegelt. Der Spitzenwert des Korrelationsergebnisses ist um so höher, desto besser die Übereinstimmung der Eingabesignale ist. Korrelationsverfahren werden daher hier auch zur Synchronisation verwendet.
Die Übertragungseigenschaften eines Funkkanals werden im Empfänger kompensiert, damit der Empfänger in der Lage ist, die orginal gesendeten Daten zu detektieren. Dieser Prozeß wird Entzerrung genannt.
Zur Demodulation eines OFDM-Mehrträgersignals wird üblicherweise die FFT-Transformation als Basis verwendet. Zur Vermeidung von Intersymbol-Interferenzen ist dem eigentlichen Nutzsymbol noch ein sogenanntes Schutzintervall vorangestellt, welches einfach eine Kopie des Symbolendes ist. Die Länge des Schutzintervalls richtet sich normalerweise nach der maximal zu erwartenden Echolaufzeit im Übertragungskanal. Für diese Erfindung wird es jedoch zur Anpassung der benötigten Länge des Testsymbols benutzt.
Aufgabe bei der Zeitsynchronisation ist daher zunächst das Fenster für die FFT zu positionieren, das heißt, das Zeitintervall zu bestimmen, aus dem die Abtastwerte für die FFT entnommen werden. Wegen der periodischen Fortsetzung des Symbols im Schutzintervall läßt sich diese Aufgabe zum Beispiel mit Hilfe der Korrelation lösen.
In 2 ist das Schema zur Berechnung der zeitlichen Korrelation dargestellt. Ein Testsymbol der zeitlichen Länge 27 ist im Datenstrom eingebettet. Ein Schutzintervall 28 geht dem Testsymbol voran. Am Ende des Testsymbols und am Ende des Schutzintervalls 28 ist die Länge N_P 26, die der Länge des Korrelationsfensters entspricht.
2 verdeutlicht das Vorgehen zur Zeitsynchronisation für das FFT-Fenster. Der Algorithmus zum Auffinden der optimalen Position für das FFT-Fenster für die Demodulation läßt sich wie folgt beschreiben:

1. Berechnung einer Korrelation zwischen dem Korrelationsfenster der Länge N_P 26 und dem Testsymbol nach folgender Formel vor Durchführung der FFT.
r bezeichnet das Zeitsignal des Testsymbols. N_PD 27 gibt den Abstand zwischen zwei periodischen Strukturen an und ist hier gleichbedeutend mit der Länge der FFT N_FFT. Mit N_P 26 wird die Länge einer periodischen Struktur bezeichnet. Mit d wird der Beginn des Testsymbols bezeichnet.
2. Die Korrelation zwischen Korrelationsfenster und Testsymbol wird für alle möglichen Positionen d innerhalb des Beobachtungszeitraums berechnet.
3. Der Wert für d, für den der Korrelationsausdruck maximal wird, gibt die optimale Position des FFT-Fensters für die Demodulation an.

Das Schutzintervall 28 ist so zu dimensionieren, daß eine Korrelationsbeziehung zwischen dem Zeitabschnitt N_P 26 des Schutzintervalls 28 und dem Zeitabschnitt N_P 26 am Ende des Testsymbols auch im Fall von Kanalechos erhalten bleibt. Die Dauer des Korrelationsfensters T_Korr ergibt sich aus dem Produkt von N_P 26 und der Dauer eines Abtastwertes. Das Schutzintervall 28 unterteilt sich gewissermaßen in einen Bereich, der zur Kompensation von Intersymbol-Interferenz nötig ist, und einen weiteren Bereich, der als Trainingsfenster zur Auffindung der korrekten Position des FFT-Fensters dient.
Da die Nutzinformation im Testsymbol je nach benötigter Gesamtdauer mehrfach wiederholt werden kann, treten bei nur geringfügigen Laufzeitunterschieden mehrere Korrelationsmaxima auf. Dies bedeutet für den Empfänger jedoch kein Problem, da er dann das FFT-Fenster beliebig auf einen der ermittelten Zeitpunkte setzen kann, also in der Regel den ersten. Beim eigentlichen Umschaltvorgang auf eine andere Frequenz ist dann lediglich zu berücksichtigen, daß der weitere Datenstrom erst im Anschluß an das letzte Maxima folgt.
Der Prozessor 3 übernimmt solche Synchronisationsaufgaben, er führt die oben beschriebene Kanalschätzung durch und entzerrt dementsprechend die empfangenen Signale.
Nach einer Initialisierungsphase oder durch eine Voreinstellung wird der Benutzer ein Rundfunkprogramm auswählen. Die Initialisierungsphase heißt, daß der Rundfunkempfänger zunächst aus den empfangenen Funksignalen eine Liste der empfangbaren Rundfunkprogramme und deren Sendefrequenzen ermittelt. Dazu weisen die Funksignale solche Daten auf. Alternativ kann herstellungsseitig der Rundfunkempfänger bereits mit einer Liste der Sendefrequenzen für die Rundfunkprogramme ausgerüstet sein. Der Benutzer wird daher nur den Namen des von ihm gewünschten Senders eingeben.
Diesem vom Benutzer gewähltem Rundfunkprogramm wird ein Trägersignal, das einer Sendefrequenz entspricht, zugeordnet. Der Prozessor 3 übergibt die notwendige Frequenzinformation aus der Liste dem Empfangsteil 2, so daß das Empfangsteil 2 die entsprechende Frequenz aus den empfangenen Funksignalen herausfiltert. Aus den empfangenen Funksignalen, die auf dieser Frequenz empfangen werden, bestimmt der Prozessor 3 nach erfolgter Synchronisation die Identifikationsnummer, um zu ermitteln, ob das vom Benutzer ausgewählte Rundfunkprogramm vorliegt. Parallel zur Demodulation der Identifikationsnummer bestimmt der Prozessor 3 die Signalqualität.
Diese Signalqualität ermittelt der Demodulator 4 mittels sogenannter Testsymbole und der unten beschriebenen Methode. Diese Testsymbole sind mit kohärenter Quadraturphasen-Umtastung moduliert. Es sind jedoch andere kohärente digitale Modulationsverfahren anwendbar.
Die Quadraturphasen-Umtastung, die englisch als „Quadratur-Phase-Shift-Keying" (QPSK) bezeichnet wird, ist eine digitale Modulation, bei der die Phase des Signals moduliert wird. In 3 ist ein sogenanntes Konstellationsdiagramm bei QPSK angegeben. In diesem Diagramm werden die empfangenen Signale in komplexer Darstellung eingetragen. Daher ist auf der Abszisse der Realteil und auf der Ordinate der Imaginärteil abzulesen. Die komplexe Darstellung erlaubt die Signale gleichzeitig bezüglich ihrer Amplitude und Phase einzutragen.
Die vier Kreuze 23 in den Quadranten des Diagramms bezeichnen die vier Winkel, die hier für die QPSK verwendet werden. Hier sind es die Winkel 45° Grad, 135° Grad, 225° Grad und 315° Grad. Es werden für die Modulation also vier feste Werte verwendet. Einer dieser vier Werte wird jeweils für ein empfangenes Signal erwartet. Darüber hinaus wird auch die Amplitude, die der Länge vom Ursprung des Koordinatenkreuzes zu einem Kreuz 23 entspricht, erwartet.
Im zweiten Quadranten ist neben dem Kreuz 23 noch ein Kreis 24 angegeben. Der Abstand auf der x- und y- Achse zwischen diesen beiden Elementen ist mit 21 als Δx und 22 als Δy angegeben. Der Kreis 24 stellt ein empfangenes Signal dar, das einen Fehler zum erwarteten Signal aufweist. Dieser Fehler ist durch die Abweichungen Δx und Δy gegeben. Stellt man sich viele solche empfangenen Signale vor, entsteht eine Wolke um solch ein Kreuz. Je größer die Wolke ist, um so mehr haben die empfangenen Signale von dem erwarteten Signal abgewichen.
Die Abweichung des empfangenen Signals von dem erwarteten Signal wird also im Demodulator 4 durch Vergleich dieser beiden Signale ermittelt. Die Differenz zwischen diesen beiden Signalen ergibt im Konstellationsdiagramm einen Vektor, zum Beispiel in 3 zwischen dem Kreuz 23 und dem Kreis 24. Der Demodulator 4 berechnet mit üblichen Methoden die Länge dieses Vektors und speichert diesen Wert ab. Der Durchschnittswert aller ermittelten Längen bei einem Testsymbol ist ein Maß für die Signalqualität. Aber auch eine andere Bewertung der Abweichungen, wie zum Beispiel das geometrische Mittel, ist anwendbar. Wenn die Signalqualität für Testsymbole verschiedener Trägersignale verglichen wird, werden diese Durchschnittswerte verglichen.
Das empfangene Signal hat aber nicht nur eine Phasendifferenz zum erwarteten Signal, sondern eben auch eine Amplitudendifferenz. Daher sind mittels der Pilotträger im Testsymbol sowohl die Referenzphase als auch die Referenzamplitude zu ermitteln.
Die QPSK ist im Vergleich zu Modulationsverfahren, bei denen mehr Winkel und auch Amplitudenunterschiede verwendet werden, unanfälliger gegenüber Störungen, weil der zulässige Fehler zwischen erwartetem Wert für die Phase und dem tatsächlichen Wert für die Phase bei QPSK größer im Vergleich zu diesen anderen Verfahren ist. Damit werden Störungen einen geringeren Einfluß auf die Demodulation haben als bei diesen anderen Modulationsverfahren. Demodulation bedeutet die Ermittlung der empfangenen Daten, ob zum Beispiel bei binären Daten eine Null oder eine Eins vorliegt.
Bei einem kohärenten Modulationsverfahren wird eine absolute Phasen- und Amplitudenreferenz zur Demodulation herangezogen. Da sich jedoch die absolute Amplitude und Phase durch eine Vielzahl von Einflußfaktoren, wie zum Beispiel verschiedene Übertragungswege und Verstärker, ändern, ist es erforderlich, eine Referenzphase und – amplitude zu bestimmen. Diese Referenz wird mit Hilfe der Pilotträger festgelegt. Das heißt die Phasenlage der Piloten wird beispielsweise mit 0° und ihre Amplitude mit eins festgelegt. Da die Phase und die Amplitude der anderen Unterträger dazu einen festen Abstand haben, nämlich den, welchen sie bereits im Sender aufwiesen, wird mit Hilfe der Pilotträger eine Referenz festgelegt. Im übrigen ermöglicht ein kohärentes Modulationsverfahren bekanntermaßen einen besseren Störabstand als ein inkohärentes Modulationsverfahren. Der Störabstand ist das Verhältnis von Signalleistung zu Rauschleistung. Je höher der Störabstand ist, desto besser werden die Funksignale detektiert.
Die Testsymbole, die sich im Datenstrom der digitalisierten empfangenen Funksignale befinden, enthalten keine Informationen, die für die Darstellung notwendig sind, also insbesondere keine Audioinformationen. In der Zeit, in der also ein Testsymbol übertragen wird, werden die anderen Trägersignale, auf denen gemäß der ebenfalls im Hauptdatenstrom übertragenen Liste dasselbe Programm möglicherweise empfangbar ist, daraufhin überprüft werden, ohne daß ein Teil der Audioinformation verloren geht.
In 4 sind drei Testsymbole 7, die zu einem Rundfunkprogramm gehören, aber auf verschiedenen Frequenzen liegen und zu verschiedenen Zeiten am Empfänger ankommen, dargestellt. Die Testsymbole 7 sind in dem Datenstrom eingebettet. Die Länge 38 der Testsymbole 7 ist gleich, die Überschneidungszeiten 39 sind hier symmetrisch.
Der obere Datenstrom liegt auf einer Frequenz, die für das Rundfunkprogramm, das gewählt wurde, benutzt wird. Der mittlere und der untere Datenstrom werden auf alternativen Frequenzen empfangen und stellen die Grenzfälle für die maximal erlaubte Signalverzögerung dar, so daß die Überschneidungszeiten 39 hier mit ihrem Minimum dargestellt sind.
Wenn die Signalqualität der Datenströme verglichen werden soll, kann dies nur während der Zeit 38 des Testsymbols geschehen, das zum oberen Datenstrom gehört, weil im Testsymbol keine Nutzdaten, wie zum Beispiel Audiodaten, enthalten sind und der obere Datenstrom zum Empfang des Rundfunkprogramms benutzt wird. Da die Testsymbole des mittleren und unteren Datenstroms sich mit dem Testsymbol des oberen Datenstroms nur überschneiden, aber nicht decken, müssen die Zeiten 39, während der sich die Testsymbole überschneiden, lange genug sein, damit die Signalqualität ermittelt werden kann.
Die minimal benötigte Überschneidungszeit 39 ist daher entscheidend von der maximal möglichen Verzögerungszeit bestimmt, die sich aufgrund der Senderstandorte für das gegebene Funksystem ergibt. Da einerseits die Senderstandorte über die Weltkugel verteilt sind und sich somit sehr große maximale Verzögerungszeiten für bestimmte Empfangsgebiete ergeben können und andererseits die Länge 38 des Testsymbols 7 die zur Verfügung stehende Kanalkapazität verringert, ist bei der Systemdimensionierung ein Kompromiß zwischen akzeptiertem Kapazitätsverlust und erlaubter Signalverzögerung notwendig. Zwei Testsymbole eines Rundfunkprogramms, die aber auf verschiedenen Frequenzen liegen, sind höchstens um die maximal mögliche Verzögerungszeit verschoben, wenn eine Synchronisation zwischen den Sendern für ein Rundfunkprogramm vorausgesetzt wird. Aus dieser maximalen Verschiebung ergibt sich die minimale Überschneidungszeit 39, die mindestens auftritt und die für die Bestimmung der Signalqualität ausreichend sein muß.
Aufgrund der zeitlichen Synchronisation der Sender für ein Rundfunkprogramm ergibt sich, daß der Takt für die Symbole, der für den Datenstrom ermittelt wird, der für die Darstellung verwendet wird, auch für den Symboltakt auf den Alternativfrequenzen des Rundfunkprogramms verwendet wird.
In 5 wird schematisch der innere Aufbau eines Testsymbols im Frequenzbereich dargestellt. An den Rändern des Testsymbols und in der Mitte ist jeweils eine Sequenz 8 vorgesehen, die zur Frequenzsynchronisation benötigt wird. Außerdem werden diese Träger ebenfalls als Pilotträger zur Kanalschätzung verwendet.
Die weiteren Träger des Testsymbols sind Nutzdaten 9 und Piloten 10. In den Nutzdaten ist die Identifikationsnummer des Rundfunkprogramms kodiert. Mit der Identifikationsnummer wird überprüft, ob der vorliegende Datenstrom auf dieser Frequenz zu dem vom Benutzer gewählten Rundfunkprogramm gehört. Dieser Schritt wird parallel zur Ermittlung der Signalqualität durchgeführt. Damit ist gewährleistet, daß nur auf Trägersignale gewechselt werden kann, die das vom Benutzer gewählte Rundfunkprogramm beinhalten.
Bevor jedoch die Nutzdaten dekodiert werden können, müssen die empfangenen Abtastwerte wegen der erlittenen Frequenzverschiebung korrigiert werden. Es ist bekannt, daß es ein günstiges Nebenprodukt des zeitlichen Korrelationsergebnisses ist, daß die feine Frequenzablage des Signals im Bereich +/– ½ Unterträgerabstand genau bestimmt werden kann, so daß noch die Bestimmung der ganzzahligen Vielfachen eines Trägerabstandes als Frequenzoffset übrig bleibt. Dies kann mit besonderen Sequenzen, die günstige Korrelationseigenschaften aufweisen, wie z.B. mit den in DAB verwendet CAZAC Sequenzen, auf Gruppen von Pilotträgern (In 5 die Daten 8) erreicht werden.
Außerdem bietet die geschickte Anordnung der Pilotträger die Möglichkeit, neben der Unterstützung der kohärenten Demodulation der QPSK-Daten auch im Falle eines Frequenzwechsels eine sehr gute Kanalschätzung für die nachfolgende kohärente Demodulation der modulierten Träger im Datenstrom zu liefern. So entfällt die sonst übliche lange Aufsynchronisation und ein unterbrechungsfreier Wechsel wird möglich.
Die Piloten 10, die in festen Abständen, hier ist es jedes achte Feld, im Testsymbol vorkommen, dienen zur Kanalschätzung und, wie oben erwähnt, zur Bestimmung der Referenzphase und Referenzamplitude.
Die Häufigkeit, mit der die Testsymbole im Datenstrom vorkommen, richtet sich nach dem durch die Testsymbole begründeten Verlust an Übertragungskapazität. Darauf nimmt die Länge der Testsymbole und die Wiederholfrequenz der Testsymbole Einfluß.
Ist die nutzbare Symbollänge T_TU 15 ms, so wird festgelegt, daß die mindestens erforderliche Überschneidung zwischen Testsymbolen eines Rundfunkprogramms auf unterschiedlichen Frequenzen T_TU + T_PLL + T_KORR (24 ms) beträgt. Diese minimale Überschneidungszeit umfaßt eine Symbollänge T_TU (15 ms), die notwendig ist, um die Signalqualität festzustellen. Hinzu kommt die Einschwingzeit der Filter und anderen Elemente des Empfangsteils, das ist T_PLL, wenn das Empfangsteil auf eine andere Frequenz eingestellt wird. Diese Einschwingzeit wird im Ausführungsbeispiel mit 6 ms angenommen. Hinzu kommt die notwendige Länge für das Korrelationsintervall T_KORR (3 ms). Die Breite des Testsymbols T_TGES (42 ms) setzt sich zusammen aus der Symbollänge T_TU (15 ms), einer maximalen Verzögerungszeit T_VERZ (18 ms), die sich aus dem oben erwähntem Kompromiß ergibt, der Einschwingzeit T_PLL (6 ms) und der Zeit um die Korrelation durchzuführen T_KORR (3 ms).
Wiederholt man dieses Testsymbol von 42 ms alle 2 sec, ergibt sich ein Kanalverlust, der 2,1% entspricht. Ein Verlust von max. 5% wird als vertretbar angesehen.
Die Länge des Testsymbols richtet sich auch danach, ob in den Testsymbolen weitere Daten kodiert sind. An der von anderen OFDM-Symbolen unterschiedlichen Länge der Testsymbole können die Testsymbole im Datenstrom erkannt werden. Darüber hinaus ergibt sich die Möglichkeit, daß Trägersignale auf Alternativfrequenzen, die das gleiche Rundfunkprogramm enthalten, durch Überschneidung der Testsymbole erkannt werden. Dies ist mit hoher Wahrscheinlichkeit möglich, weil die Datenströme unterschiedlicher Rundfunkprogramme unterschiedlicher Sendeanstalten erwartungsgemäß nicht synchronisiert sein werden, so daß eine Überschneidung von Testsymbolen unterschiedlicher Rundfunkprogramme mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit vorkommen wird.
In 6 ist ein Flußdiagramm gezeigt, das die Verarbeitungsschritte im Prozessor 3 bei der Bestimmung der Signalqualität und der eventuellen Umschaltung auf ein anderes Trägersignal darstellt.
In Verfahrensschritt 11 wird diese Verarbeitung, die im Prozessor 3 stattfindet, begonnen. In Verfahrensschritt 12 wird aus der empfangenen Liste von Trägersignalen, die unterschiedlichen Frequenzen entsprechen, für ein Rundfunkprogramm das nächste Trägersignal ausgewählt. In Verfahrensschritt 13 wird überprüft, ob zu dem jetzigen Zeitpunkt ein Testsymbol vorliegt. Ist das nicht der Fall, wird in Verfahrensschritt 14 darauf gewartet, bis ein Testsymbol vorliegt. Ist ein Testsymbol erkannt worden, wird in Verfahrensschritt 29 zur ausgewählten Alternativfrequenz gewechselt. In Verfahrensschritt 15 wird überprüft, ob die Empfangsleistung über einer im Empfänger abgespeicherten Schwelle liegt. Damit werden solche empfangenen Funksignale ausgeschaltet, die mit einem sehr schwachen Signalpegel empfangen werden.
Ist der Signalpegel dieses Trägersignals unter der Schwelle wird in Verfahrensschritt 12 das nächste Trägersignal gewählt. Ist der Signalpegel des Testsymbols dieses Trägersignals über der Schwelle, wird in Verfahrensschritt 30 versucht, ein Testsymbol zu detektieren und die Frequenzsynchronisation herzustellen. In Verfahrensschritt 31 wird überprüft, ob erfolgreich synchronisiert werden konnte. Gelang dies nicht, wird zu Verfahrensschritt 12 zurückgegangen. Andernfalls wird in Verfahrensschritt 16 die Identifikationsnummer aus dem Testsymbol dekodiert. Entspricht die Identifikationsnummer des Datenstroms dieses Trägersignals dem Rundfunkprogramm, das vom Benutzer gewählt wurde, wird in Verfahrensschritt 18 dieses Trägersignal als alternatives Trägersignal abgespeichert. Entspricht die Identifikationsnummer nicht der des gewählten Rundfunkprogramms, wird das nächste Trägersignal aus der Liste gewählt.
In Verfahrensschritt 19 wird überprüft, ob die Signalqualität des Datenstroms, der zu dem in Verfahrensschritt 18 abgespeicherten Trägersignal gehört, besser ist, als die Signalqualität des Datenstroms, der im Moment zur Darstellung des Rundfunkprogramms genutzt wird. Ist das nicht der Fall, wird in Verfahrensschritt 12 das nächste Trägersignal aus der Liste genommen. Ist die Signalqualität besser, dann wird während des nächsten Testsymbols auf dieses Trägersignal umgeschaltet.
In 7 wird ein Flußdiagramm für die Frequenzsynchronisation, die in 6 in den Verfahrensschritten 30 und 31 genannt wird, gezeigt. In Verfahrensschritt 32 wird wie oben beschrieben aus der zeitlichen Korrelation die Frequenz bestimmt. In Verfahrensschritt 33 wird der Spitzenwert der Korrelation ermittelt. In Verfahrensschritt 34 wird überprüft, ob der Spitzenwert der Korrelation über einem Empfänger abgespeicherten Schwellenwert liegt. Liegt der Spitzenwert unter dem Schwellenwert, wird die nächste Frequenz in Verfahrensschritt 35 untersucht. Es wird dann zu Verfahrensschritt 12 in 6 gegangen. Ist der Spitzenwert der Korrelation über dem Schwellenwert, wird in Verfahrensschritt 36 eine FFT des Testsymbols durchgeführt, so daß das Testsymbol im Frequenzbereich vorliegt. In Verfahrensschritt 37 wird der Frequenzfehler berechnet und korrigiert. In Verfahrensschritt 38 wird aus den Piloten eine Kanalschätzung durchgeführt. Danach geht es mit Verfahrensschritt 16 aus 6 weiter.

Claims

Verfahren zur Übertragung von Funksignalen mittels orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM), wobei ein Rundfunkprogramm auf verschiedenen Trägersignalen gesendet wird, wobei der Benutzer ein Rundfunkprogramm auswählt, wobei die Funksignale eine Identifikationsnummer für das jeweilige Rundfunkprogramm aufweisen, wobei die Signalqualität des ausgewählten Rundfunkprogramms laufend in Abhängigkeit von den Trägersignalen, auf denen das Rundfunkprogramm empfangen wird, ermittelt wird, wobei die Identifikationsnummer und die Signalqualität für das Rundfunkprogramm aus den Funksignalen, die Testsymbole (7) aufweisen, ermittelt werden und dann das Trägersignal für den Empfang des ausgewählten Rundfunkprogramms verwendet wird, das zu der besten Signalqualität führt, wobei aus den Testsymbolen (7) die Identifikationsnummer für das vom Benutzer gewählte Rundfunkprogramm ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Testsymbol (7) mittels Quadratphasenumtastung moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein bereits dargestelltes Rundfunkprogramm, das auf einem ersten Trägersignal empfangen wird, durch das gleiche Rundfunkprogramm, das auf einem zweiten Trägersignal empfangen wird, ohne Unterbrechung der Darstellung ersetzt wird, wenn die Signalqualität des Rundfunkprogramms auf dem zweiten Trägersignal besser ist als die Signalqualität des Rundfunkprogramms auf dem ersten Trägersignal.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Funksignalen Daten enthalten sind, die alle Trägersignale angeben, auf denen dasselbe Rundfunkprogramm gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Testsymbole (7) Pilotträger (10), Synchronisierungssignale (8) und Nutzdaten- signale (9) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Testsymbole (7) die Signalqualität des empfangenen Rundfunkprogramms auf den empfangenen Trägersignalen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalqualität mittels der Abweichung der Amplitude und Phase des empfangenen Funksignals von der erwarteten Amplitude und Phase ermittelt wird und dass mittels einer Bewertung aller Abweichungen, die für ein Testsymbol (7) ermittelt werden, ein Maß für die Signalqualität bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Testsymbol (7) durch ein von anderen Symbo- len unterschiedliches Schutzintervall erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Pilotträger (10) eine Kanalschätzung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzphase und die Referenzamplitude mittels der Pilotträger (10) für eine kohärente Demodulation ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge eines Testsymbols (7) dazu benutzt wird, einen Datenstrom des jeweiligen Rundfunkprogramms zu identifizieren.
Empfänger zum Empfang von Funksignalen im orthogonalen Frequenzmultiplex (OFDM), wobei der Empfänger die OFDM-Funksignale empfängt, wobei ein Benutzer ein Rundfunkprogramm auswählt, wobei der Empfänger ein Rundfunkprogramm von mehreren Sendern auf verschiedenen Trägersignalen und damit verschiedenen Trägerfrequenzen empfängt, wobei der Empfänger das vom Benutzer ausgewählte Rundfunkprogramm darstellt, wobei der Empfänger die Signalqualität des ausgewählten Rundfunkprogramms auf verschiedenen Trägersignalen laufend ermittelt, wobei der Empfänger eine Identifikationsnummer und die Signalqualität des vom Benutzer gewählten Rundfunkprogramms aus den empfangenen Funksignalen bestimmt und der Empfänger das Trägersignal auswählt, welches das Rundfunkprogramm mit der besten Signalqualität aufweist, wobei der Empfänger aus Testsymbolen (7) die Identifikationsnummer ermittelt, die das Rundfunkprogramm identifiziert, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger jedes Testsymbol (7) nach einer Quadratphasenumtastung demoduliert.
Empfänger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger ein bereits dargestelltes Rundfunkprogramm, das der Empfänger auf einem ersten Trägersignal empfängt, durch das gleiche Rundfunkprogramm, das der Empfänger auf einem zweiten Trägersignal empfängt, ersetzt, wenn der Empfänger eine bessere Signalqualität für das zweite Trägersignal ermittelt.
Empfänger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger aus den Funksignalen ermittelt, auf welchen Trägersignalen und damit Trägerfrequenzen es möglich ist, ein Rundfunkprogramm zu empfangen.
Empfänger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger mittels Korrelation in den Schutzintervallen und den Symbolenden den Beginn der empfangenen Symbole und Testsymbole (7), die Pilotträger- (10) und Nutzdatensignale (9) aufweisen, erkennt.
Empfänger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger anhand der Testsymbole (7) die Signalqualität ermittelt.
Empfänger nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger mittels der Pilotträger (10) eine Kanalschätzung durchführt.
Empfänger nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger mittels der Pilotträger (10) Referenzphase und die Referenzamplitude für die kohärente Demodulation ermittelt.
Empfänger nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger die Signalqualität mittels der Abweichung der Amplitude und der Phase des empfangenen Funksignals von der erwarteten Amplitude und der Phase ermittelt und dass der Empfänger alle Abweichungen für ein Testsymbol (7) bewertet und diese Bewertung als ein Maß für die Signalqualität verwendet.
Empfänger nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger Testsymbole (7) von anderen Symbolen durch unterschiedliche Symbollängen unterscheidet.
Empfänger nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger einen Datenstrom eines Rundfunkprogramms dadurch identifiziert, dass ein Testsymbol (7) eine von anderen Symbolen unterschiedliche Länge hat, indem das Testsymbol mittels einer Korrelation anhand eines Schutzintervalls erkannt wird.
Empfänger nach Anspruch 19, dadurch gekkenzeichnet, dass der Empfänger Zustandsinformationen im Empfangsteil (2), insbesondere Frequenz- und Verstärkungseinstellungen, für das dargestellte Rundfunkprogramm abspeichert, wenn der Empfänger während der Testsymbole (7) die Signalqualität dieses Rundfunkprogramms auf anderen Frequenzen ermittelt.
Empfänger nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger Zustandsinformationen im Empfangsteil (2), insbesondere Frequenz- und Verstärkungseinstellungen sowie den Zeitversatz zum Datenstrom, für eine erfolgreich ge- prüfte Alternativfrequenz abspeichert, um bei einer späteren Überprüfung oder einem dauerhaften Wechsel mit nicht zufälligen Startwerten für die Einstellungen des Empfangsteils (2) zu beginnen.