DE68916899T2

DE68916899T2 - Automatische Verstärkungsregelung für Frequenzsprungempfänger.

Info

Publication number: DE68916899T2
Application number: DE1989616899
Authority: DE
Inventors: Khiem V Cai; Patrick L Lim; James L Thomas
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-10-24
Filing date: 1989-10-21
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2009-10-22
Also published as: EP0366025A3; DE68916899D1; IL92021A; EP0366025B1; EP0366025A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung für einen Empfänger, insbesondere einen Empfänger mit Frequenzsprungtechnik, umfassend
- eine verstärkungsgesteuerte Verstärkerstufe zum Einstellen der Verstärkung eines empfangenen Signales, wobei die Verstärkung der verstärkungs gesteuerten Verstärkerstufe durch ein Verstärkungsregelsignal gesteuert wird, und
- einen Generator zur automatischen Verstärkungsregelung (AVR) zum Erzeugen eines Verstärkungsregelsignales für die verstärkungsgesteuerte Verstärkerstufe zur Steuerung der Verstärkung auf der Grundlage der Stärke des empfangenen Signals, wobei der Generator zur automatischen Verstärkungsregelung so gekoppelt ist, daß er die Stärke des empfangenen Signals mißt.
Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der Druckschrift GB-A 21 49 245 bekannt.
Die Erfindung betrifft allgemein Spread-Spectrum-Hochfrequenzempfänger und insbesonderes Spread-Spectrum-Empfänger von dem Frequenzsprung-Typ. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Technik und eine Vorrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung (AVR) bei einem Empfänger mit Frequenzsprungtechnik.
Die Frequenzsprungtechnik ist eine allgemein gebräuchliche Technik zur Bereitstellung eines sicheren Kommunikationssystems. Die Frequenzsprungtechnik schließt das periodische Ändern der Funk-Trägerfrequenzen oder Mittenfrequenzen ein, um ein Abhören oder Stören zu vermeiden. Bei Systemen, die ein sehr schnelles Frequenzspringen verwenden, wird das Signal bei jeder Frequenz nur für eine sehr kurze Zeitspanne, wie 20 Millisekunden, gesendet.
Bei Sprachübertragung mit Frequenzsprungtechnik muß die Stärke des empfangenen Signals geschätzt werden, so daß der AVR-Pegel eingestellt werden kann. Die herkömmliche Methode für eine AVR-Auswahl, bei der die mittlere abgetastete Energie des Sprungsignals berechnet wird, wird häufig für Funk-Sprachübertragung verwendet. Diese Methode funktioniert gut bei gleichbleibenden, gutartigen (kein Fading zeigenden) äußeren Bedingungen ohne Störung. In einem Kanal mit starkem Fading und bei Anwesenheit einer Störung über einen Teil der Sprung-Bandbreite ist die Mittelungsmethode jedoch wegen des bedeutenden Beitrags des Störsignals zum Mittelwert der Abtastwerte fehleranfällig. Es hat sich auch gezeigt, daß die herkömmliche Methode in Kanälen mit starkem langsamen Fading, wie dem Rayleighfading-Kanal bei Hochfrequenz (HF), untauglich ist.
Ein Ansatz ist die Verwendung von Schaltungen mit sehr schnellen Ansprech- und Abfallzeiten im AVR-Regelkreis, um es der AVR-Schaltung zu ermöglichen, auf jeden Frequenzsprung anzusprechen. Jedoch sind Analogschaltungen, die ausreichend "schnelle" Ansprech- und Abfallzeiten erbringen, kompliziert und teuer. Demgemäß besteht ein Bedarf an einer verbesserten AVR-Regelung bei Empfängern mit Frequenzsprungtechnik, um bei Anwesenheit von Störungen oder Fading für eine verbesserte Verstärkungsregelung zu sorgen.
Die eingangs erwähnte Druckschrift GB-A 21 49 245 behandelt auch eine Kompensation für die Erholzeit der AVR bei einem Funkempfänger mit Frequenzsprungtechnik. In diesem Zusammenhang vergleicht ein Komparator das Regelsignal für den Verstärker mit veränderlicher Verstärkung mit dem Wert des Regelsignals im vorhergehenden Zyklus. Falls der Unterschied einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt, wird dies als Auftreten eines Störers in dem betreffenden Kanal interpretiert. Da erwartet wird, daß im nächsten Kanal kein Störer auftreten wird, wird im nächsten Zyklus zum AVR-Regelsignal ein zusätzliches Signal addiert, um das AVR-Signal zu verringern.
Die Druckschrift C.-P. Wang et al., Adaptive Gain Control, IEEE Transactions on Information Theory, Band IT-17, Nr. 5, September 1971, S. 625-627 beschreibt ein derartiges statistisches Verfahren zur Wahl der Empfängerverstärkung, bei dem kein Verstärker in die Sättigung getrieben wird. Zum adaptiven Einstellen der Verstärkung werden Abtastwerte der Einhüllen den des verstärkten Signals am Ausgang des Empfängers gemessen. Ein Spezialcomputer ist vorgesehen, der einen Algorithmus zur optimalen Einstellung der Verstärkung des Empfängers beinhaltet.
Angesichts dieses Stands der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wirksame Vorrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung für einen Empfänger, insbesondere einen Empfänger mit Frequenzsprungtechnik bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß der eingangs erwähnten Vorrichtung gelöst durch:
- Reglermittel, die so gekoppelt sind, daß sie das Verstärkungsregelsignal des Generators zur automatischen Verstärkungsregelung abtasten, um Abtastwerte zu liefern,
-- wobei die Reglermittel auf der Grundlage einer geordneten Statistik aus den Abtastwerten das optimale Verstärkungsregelsignal wählen, wobei
-- die Reglermittel die Reihenfolge der Abtastwerte entsprechend der Amplitude bestimmen, und
-- wobei die Reglermittel den optimalen geordneten Abtastwert auf der Grundlage von Kriterien wählen, die entsprechend den äußeren Arbeitsbedigungen vorbestimmt sind, und
- Mittel zum Koppeln des optimalen Verstärkungsregelsignals von den Reglermitteln, um die Verstärkung der verstärkungsgesteuerten Verstärkerstufe zu steuern.
Bei der eingangs erwähnten GB-A 21 49 245 wird das AVR-Signal des Standard-AVR-Generators nicht durch ein optimales Verstärkungsregelsignal von den Reglermitteln ersetzt, wie es bei der neuen Vorrichtung der Fall ist. Stattdessen bleibt der Standard-AVR-Generator wirksam und steuert den verstärkungsgesteuerten Verstärker.
Während überdies gemäß der oben erwähnten Druckschrift von Wang et al. Reglermittel zum Abtasten der Einhüllenden des verstärkten Signals vorgesehen sind, sind erfindungsgemäß die Reglermittel so gekoppelt, daß sie das Verstärkungsregelsignal von dem Generators zur automatischen Verstärkungsregelung abtasten.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß sie eine Technik zur Erzeugung einer genauen Schätzung des optimalen AVR-Pegels auf der Grundlage einer beschränkten Menge bekannter gesendeter Signale bereitstellt, und zwar selbst bei Vorhandensein einer starken Störung und/oder eines HF-Kanal-Fading.
Ein weiterer Vorteil ist die Bereitstellung einer AVR-Technik und -Vorrichtung für Empfänger mit Frequenzsprungtechnik, wobei keine komplizierten analogen AVR-Schaltungen benötigt werden, um unter Verwendung "schneller" Ansprech- und Abfallzeiten auf jeden Frequenzsprung anzusprechen.
Noch ein weiterer Vorteil ist die Bereitstellung einer verbesserten AVR-Technik und -Vorrichtung, die bei einer großen Klasse von HF-Verstärkern anwendbar sind.
Die vorliegende Erfindung umfaßt, kurz gesagt, eine AVR-Technik und -Vorrichtung zum Einstellen der Verstärkung eines Funkfrequenzempfängers beim Empfang von Frequenz sprungsignalen. Die Erfindung umfaßt die Gestaltung einer AVR-Abtaststruktur zur Verwendung bei einer großen Klasse von HF-Wellenformen bei Frequenzsprungtechnik, die bekannte gesendete Signale, eingebettet im Kommunikationsverkehr, enthalten. Die Abtaststruktur ist ein digitaler Aufbau und eine AVR-Auswahltechnik (Algorithmus), die in Verbindung mit einer analogen Standard-AVR- Schaltung mit geschlossener Schleife verwendet werden, wobei der AVR-Generator den empfangenen Audiopegel mißt und eine Regelgleichspannung erzeugt. Bei der vorliegenden Erfindung wird diese AVR-Regelspannung während des Empangs von bekannten gesendeten Signalen abgetastet, um einem Digitalregler eine Folge unabhängiger AVR-Abtastwerte zu liefern. Der Digitalregler bestimmt die optimale AVR-Regelspannung auf der Grundlage eines Auswahlalgorithmus, der die Technik einer geordneten Statistik zur Auswahl des richtigen geordneten Abtastwerts verwendet, um den optimalen AVR-Regelpegel für den Empfänger zu liefern Die Standard-AVR-Regelschleife wird dann unter brochen und die vom Digitalregler ausgewählte optimale AVR-Spannung wird dann so gekoppelt, daß sie die Regelgleichspannung liefert.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es ausgeschlossen, daß die AVR durch ein Störsignal eingefangen wird, solange nicht die Mehrzahl der verfügbaren Frequenzsprungkanäle gestört ist. Die Technik ist auch robust unter Rayleighfading-Bedingungen im HF-Kanal. Mit typischen Empfängern kann ein gutes Funktionieren mit Ansprech- und Abfallzeiten erzielt werden, die 3 bis 10 mal länger als die Frequenzsprung-Periode sind, wodurch die Notwendigkeit der Gestaltung komplizierter analoger AVR-Schaltungen, um auf jeden Frequenzsprung anzusprechen, ausgeschlossen wird. Die Technik ist nicht nur für Frequenzsprungsignale, sondern auch für Signale ohne Frequenzsprungtechnik anwendbar, welche durch eine pulsförmige Störung, wie atmosphärisches Rauschen, gestört sind. Darüber hinaus kann die Technik äußerst einfach mit moderner digitaler Hardware implementiert werden.
Weitere Aufgaben und viele der damit verbundenen Vorteile werden ohne weiteres erkennbar, wenn die vorliegende Erfindung durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen besser verstanden wird. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Darstellung einer Signalfrequenz als Funktion der Zeit, die die Frequenzsprungcharakteristik eines Kommunikationssystems mit Frequenzsprungtechnik zeigt,
Figur 2 eine Darstellung einer typischen Wabrscheinlichkeits- Dichtefunktion von Abtastwerten von Frequenzsprungsignalen bei Vorhandensein einer Partialbandstörung,
Figur 3 ein Blockdiagramm, das die erfindungsgemäße Technik der automatischen Verstärkungsregelung darstellt,
Figur 4 eine Darstellung von Wellenformen, die zum Verständnis der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung nützlich sind,
Figur 5 eine Darstellung der optimalen Auswahl der Reihen folge von Abtastwerten für die erfindungsgemäße AVR-Regelung für den Fall eines Kanals mit Rayleigh-Fading ohne Störung,
Figur 6 eine Darstellung der Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen AVR bei Vorhandensein einer Partialbandstörung als Funktion der Reihenfolge von AVR-Abtastwerten für verschiedene Werte des Störbandbreitenfaktors φ, und
Figur 7 eine Darstellung einer akzeptablen AVR bei Vorhandensein einer Partialbandstörung für schnell abfallende AVR-Schaltungen.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, und insbesondere auf Figur 1, sieht die vorliegende Erfindung eine verbesserte AVR bei einem Kommunikationssystems mit Frequenzsprungtechnik vor, bei dem ein gesendetes Signal zufallsverteilt in einem Satz unabhängiger Frequenzen f&sub1; - fM springt, wie es durch Blöcke 1 - M dargestellt ist. Ein Empfänger, der zum Betrieb in diesem Kommunikationssystem mit Frequenzsprungtechnik ausgelegt ist, kennt diese Frequenzen a priori und kann daher dem Frequenzmuster folgen, um die Daten zu "demodulie ren". Für Sprachübertragung mit Frequenzsprungtechnik muß die Stärke des empfangenen Signals geschätzt werden, so daß der richtige AVR-Pegel eingestellt werden kann.
Um dem Empfänger die Schätzung der Stärke des empfangenen Signals zu ermöglichen, sendet der Sender eine bekannte Sendung von einer Dauer T auf m verschiedenen Frequenzsprüngen, wobei jeder Frequenzsprung eine Verweilzeit von D = T/m aufweist. Unter m empfangenen Sprüngen werden am Empfänger n Abtastwerte aufgenommen. Bei dieser Sendung handelt es sich typischerweise um eine Folge von Datenpulsen mit einer gemeinsamen Amplitude, die als Vorspann zur Sprachübertragung gesendet werden. Die Sprachübertragung mit Frequenzsprüngen wird typischerweise innerhalb von wenigen 100 Mikrosekunden nach dem Ende des Vorspanns zur Zeit T aufgenommen.
Einige dieser Abtastwerte können von Störsignalen, wie Störsignale von einem Partialband-Störsender, aufgenommen sein, wie es in Figur 1 durch die schraffierten Blöcke dargestellt ist; viele der Abtastwerte sind es hingegen nicht. Es sei bemerkt, daß ein Partialband-Störsender üblicherweise ein kleines Tastverhältnis aufweist, so daß in diesen gestörten Frequenzen viel Energie konzentriert ist. Folglich sind in einem Histogramm der empfangenen Signale, wie es in Figur 2 gezeigt ist, der Signalpegel der Nutzsignale dem Teil des Histogramms mit kleinen Amplituden zugeordnet, und der der Störsignale dem Teil des Histogramms mit großen Amplituden. Die vorliegende Erfindung verwendet zur Unterscheidung des Störsignals von dem reinen Signal die Technik der geordneten Statistik, um eine gute Schätzung für das Nutzsignal zu liefern.
Wegen überlagertem Rauschen, der Fadingcharakteristik und dem Störsignal muß jede Schätzung der Empfangsstärke (und somit die AVR-Auswahl) mit einem Fehler behaftet sein. Im Rahmen dieser Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird definiert, daß eine AVR-Auswahl akzeptabel ist, wenn die berechnete AVR-Einstellung innerhalb von plus oder minus 3 dB von dem richtigen Wert liegt. Dieser Wert wird gewählt, weil er den Pegel definiert, bei dem eine Signaländerung gerade mit dem Gehör wahrgenommen werden kann. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, die Leistungsfähigkeit der AVR durch Maximieren der Wahrscheinlichkeit eines akzeptablen AVR-Verhaltens zu optimieren. Diese Optimierung kann sogar im Rayleighfading-Kanal bei Vorhandensein einer Partialband störung oder einer Rauschstörung vom Impulstyp erreicht werden.
Figur 3 zeigt im Rahmen eines verallgemeinerten HF-Empfängers die erfindungsgemäße digitale AVR-Abtastung und -Regelung, die zu einer analogen Standard-AVR-Schaltung mit geschlossener Schleife gefügt ist, um die erfindungsgemäße AVR-Vorrichtung zu ergeben. Bei dem verallgemeinerten HF-Empfänger wird das durch eine Antenne 10 empfangene Signal vor der AVR-Schaltung in ein Zwischenfrequenzsignal gewandelt. Wie in Figur 3 dargestellt ist, kann das HF-Signal an einen Mischer 12 gekoppelt werden, wo es mit einem Signal von einem ersten Empfängeroszillator gemischt wird, um das empfangene Signal zum Verstärken und Filtern bei 14 bzw. 16 aufwärts zu wandeln. Das Signal wird dann mit einem Signal eines zweiten Empfängeroszillators bei 18 gemischt, um das empfangene Signal zu einer Zwischenfrequenz abwärts zu wandeln, bevor es an die AVR-Schleife gekoppelt wird.
Die typische herkömmliche AVR-Schaltung mit geschlossener Schleife umfaßt eine oder mehrere verstärkungsgesteuerte Verstärkerstufen 20, die an Filtermittel 22 gekoppelt sind, und eine weitere Abwärtswandlerstufe 24, bei der das Signal mit einem Signal von einem dritten Empfängeroszillator gemischt wird, um das Signal am Ausgang der Schleife in Audiofrequenz zu wandeln. Das Audiofrequenzsignal wird dann durch ein Audiofilter 25 geführt, um ein Audio-Ausgangs signal zu liefern. Ein Teil des Audiofrequenzsignals wird an einen AVR-Generator 26 gekoppelt, der den empfangenen Audiopegel mißt, die geeigneten AVR-Zeitkonstanten der Ansprech- und Abfallzeiten für entweder Sprach- oder Datenempfang verwendet und eine Gleichstrom(DC)-AVR- Regelspannung erzeugt, die verwendet wird, um die Verstärkung der Verstärkerstufen 20 zu steuern. Typischerweise liefert der AVR-Generator 26 eine Regelspannung, die mit dem Pegel des empfangenen Audiosignals zunimmt. Es sei bemerkt, daß die AVR statt auf dem Niveau der Audiofrequenz bei einer Zwischenfrequenz oder sogar bei HF-Frequenz erfolgen kann; die Verwendung des Audiofrequenz-Niveaus in dieser Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform erfolgt nur zur Veranschaulichung.
Typische Zeitkonstanten für diesen Typ einer AVR-Schaltung sind:
Sprachmodus: Ansprechen - maximal 30 Millisekunden
Abfallen - 0,75 bis 1,5 Sekunden
Datenmodus: Ansprechen - maximal 30 Millisekunden
Abfallen - 60 bis 130 Millisekunden.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die herkömmliche AVR-Schleife durch Anfügung eines Analogschalters 28, eines Analog-Digital(A/D)-Umsetzers 30, eines Digital-Analog(D/A)-Umsetzers 32 und eines Digitalreglers 34 modifiziert, wie es im folgenden dargestellt wird. Der Ausgang des AVR-Generators 26 ist an den Analogschalter 28 gekoppelt, der so verbunden ist, daß er die Standard-AVR-Regelschleife wahlweise öffnet oder schließt. Wenn der Schalter 28 in einer ersten Stellung ist ( wie in Figur 3 gezeigt), so ist die Standard-AVR-Regelschleife geschlossen und der Ausgang des AVR-Generators mit den verstärkungsgesteuerten Verstärkerstufen 20 verbunden. Wenn der Schalter 28 in der zweiten Stellung ist, ist der Ausgang des AVR-Generators von der verstärkungsgesteuerten Verstärkerstufe 20 getrennt und der Ausgang des Digital-Analog(D/A)-Umsetzers 32 an die verstärkungsgesteuerte Verstärkerstufe gekoppelt.
Der A/D-Umsetzer 30 ist vor dem Analogschalter 28 mit dem Ausgang des AVR-Generators 26 verbunden, um die AVR-Regelspannung von der Standard-AVR-Regelschleife abzutasten oder zu lesen. Der A/D-Umsetzer 30 koppelt die Abtastwerte der AVR-Regelspannung an den Digitalregler 34.
Der Digitalregler 34 ist so gekoppelt (gekennzeichnet durch eine gestrichelte Linie 36), daß er den Analogschalter 28 steuert, um die Stellung des Schalters zu wählen (d.h. um die Quelle der AVR-Regelspannung zu wählen). Der Digitalregler 34 ist auch an den A/D-Umsetzer 30 gekoppelt (gekennzeichnet durch eine gestrichelte Linie 38), um die Abtastzeit für den A/D-Umsetzer zu steuern und die Abtastwerte von dem Ausgang des AVR-Generators zu empfangen. Er ist auch an den AVR-Generator 26 gekoppelt. Der Digitalregler 34 berechnet die optimale AVR-Regelspannung auf der Grundlage der Abtastwerte von dem Ausgang des AVR-Generators, und gibt diese Spannung an den D/A-Umsetzer 32 aus.
Im Betrieb arbeitet die erfindungsgemäße automatische Verstärkungsregelung folgendermaßen: Während des Empfangs bekannter gesendeter Signale mit einer Dauer T schließt der Digitalregler 34 die Standard-AVR-Schleife, um ihr ein Verfolgen des Pegel des einkommenden Signals zu erlauben, genauso wie sie es bei einem Empfänger ohne Frequenzsprungtechnik täte. Der Digitalregler 34 tastet (liest) dann die unabhängige AVR-Spannung periodisch in dem A/D-Umsetzer 30 auf eine derartige Weise ab, daß ein starkes Signal auf einem Frequenzsprung nicht mehr als einen Abtastwert einfängt.
Der Abtastvorgang ist in Figur 4 dargestellt. Einer der wesentlichen Vorteile dieser Abtasttechnik wird erzielt, wenn bekannte Signale in einer zusammenhängenden Folge von Frequenzsprüngen empfangen werden. Die Verwendung einer Folge von Signalen erlaubt es, daß der A/D-Abtastvorgang mit einer langsameren Rate als die Sprungrate abläuft. Figur 4 zeigt ein Beispiel für eine Sprungrate von 50 Sprüngen pro Sekunde (eine Sprung-Verweilzeit von 20 ms) und für eine Abfallzeit des AVR-Generators von 60 ins. Beabstandet man die A/D-Abtastwerte um einen Zeitabschnitt, der gleich oder größer als die Abfallzeit ist, so ist, wie gezeigt, das Einfangen eines AVR-Abtastwerts durch ein Störsignal auf eine Störung beschränkt, die in den vorangegangenen drei Sprung-Verweilzeiten aufgetreten ist. Im allgemeinen Fall wird ein A/D-Abtastwert nur eingefangen, wenn die Störung in den vorangehenden L = R/D Sprung-Verweilzeiten auftritt, wobei L die Zahl der Sprünge pro Abtastwert, R die Abfallzeit und D die Sprung-Verweilzeit ist. Somit werden bei Abschluß der bekannten Sendung der Dauer T insgesamt n = T/R unabhängige Abtastwerte aufgenommen.
Nach der Aufnahme von n Abtastwerten berechnet der Digitalregler 34 gemäß der im folgenden beschriebenen statistischen Methode einen optimalen AVR-Wert. Das Ergebnis dieser Berechnung wird dann an den D/A-Umsetzer 32 ausgegeben, wobei der Analogschalter 28 so geschaltet wird, daß er den Ausgang des AVR-Generators von der verstärkungsgesteuerten Verstärkerstufe 20 trennt und den Ausgang des D/A-Umsetzers mit ihr verbindet, um so die AVR-Spannung bei dem berechneten Wert festzulegen.

ALGORITHMUS ZUR AUSWAHL DES AVR-PEGELS

Nach der Aufnahme der n unabhängigen Abtastwerte führt der Digitalregler 34 unter Verwendung einer geordneten Statistik eine AVR-Auswahl wie folgt durch. Die n unabhängigen und gleichverteilten Abtastwerte X&sub1;, X&sub2;, X&sub3;...., XN können wie folgt entsprechend der Amplitude sortiert werden:
X[1]< X[2]< X[3]< ... X[12]< X[13]< X[14]< ... < X[N].
Der kte geordnete Abtastwert, X[k], wird ausgewählt. Der ausgewählte Abtastwert wird dann an den D/A-Umsetzer 32 gekoppelt und der Analogschalter 28 wird so geschaltet, daß die Ausgabe des D/A-Umsetzers als die AVR-Regelspannung gekoppelt wird Folglich ist es nur notwendig, zu bestimmen, welche Auswahl von "k" die maximale Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen AVR ergibt. Diese Auswahl wird Ordnung des optimalen Abtastwerts, kopt, genannt. Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit und mit der Annahme, daß der richtige Abtastwert S Eins ist, seien f(x) und F(X) die Wahrscheinlichkeits-Dichtefunktion bzw. die kumulative Verteilungsfunktion der AVR-Abtastwerte Xi. Die Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen AVR auf der Grundlage des kten geordneten Abtastwerts wird gemäß der folgenden Gleichung berechnet: Gleichung (1):
wobei n die Gesamtzahl der gesammelten Abtastwerte ist, k der ausgewählte geordnete Abtastwert für die AVR-Einstellung ist, und die Integrationsgrenzen die plus und minus 3 dB-PegeL darstellen.
Die vorliegende Erfindung kann für eine adaptive Echtzeit- AVR-Regelung sorgen, wenn der Digitalregler 34 einen Mikroprozessor enthält, der das zum Lösen von Gleichung (1) für k gleich 1,2..., n nötige Leistungsvermögen hat. Die Lösung von Gleichung (1) bestimmt, welcher der geordenten Abtastwerte die höchste Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen AVR ergibt. Der Wert des Abtastwerts, der die höchste Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen AVR ergibt, wird dann zur Verwendung als AVR-Regelspannung ausgewählt. Die AVR-Auswahl kann somit periodisch oder abhängig vom Leistungsvermögen des Mikroprozessors sogar für jeden Satz vom Abtastwerten (d.h. bei jeder Sendung der bekannten Signale der Dauer T) aktualisiert werden.
Es ist offensichtlich, daß die Wirksamkeit des AVR-Auswahl- Ansatzes unmittelbar von der Statistik der empfangenen Signale abhängt, die von der Fading-Charakteristik im Kanal und den Störbedingungen abhängt. Daher kann es sein, daß eine für eine Kanalbedingung gute AVR-Auswahl (über den kten geordneten Abtastwert) für andere Kanalbedingungen nicht gut genug ist. Ein Digitalregler 34 mit einer Leistungskraft, die ausreicht, um für eine adaptive AVR-Regelung durch Berechnen einer Echtzeitlösung von Gleichung (1) zu sorgen, benötigt jedoch ein beträchtliches Leistungsvermögen, dessen Kosten im Rahmen der potentiellen Verwendungsbedingungen für den Empfänger möglicherweise nicht gerechtfertig sind.
In den folgenden Absätzen wird eine Technik für die Auswahl von kopt diskutiert, die P für die erwarteten äußeren Bedingungen maximiert und kopt zur Verwendung im Digitalregler 34 auswählt, wenn eine adaptive Echtzeitlösung von Gleichung (1) nicht realisierbar ist. In diesem Fall wird kopt (oder mehrere kopt für verschiedene äußere Bedingungen) für die erwarteten äußeren Arbeitsbedingungen a priori berechnet und im Digitalregler 34 gespeichert. Im Betrieb sortiert der Digitalregler 34 die Abtastwerte Xi und wählt auf der Grundlage des gespeicherten kopt den richtigen Abtastwert aus. Der ausgewählte Abtastwert wird dann an den D/A-Umsetzer 32 als AVR-Regelspannung für den Sendeverstärker 20 gekoppelt.
Wendet man sich nun der Auswahl von kopt zu, die P maximiert, so sei zunächst ein Kanal ohne Fading und ohne Störung betrachtet. Bei Abwesenheit von Rauschen sind alle Statistiken gleich, da das Signal deterministisch ist. Folglich ergibt jede geordnete Statistik die ideale AVR-Auswahl, und die Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen AVR ist 100 %.
Im Fall eines Kanals mit Rayleigh-Fading ohne Störung hat der empfangene Abtastwert die folgende Wahrscheinlichkeits-Dichtefunktion:

Gleichung (2):

f(x) = exp (-x),
wobei x ≤ 0 und S = 1 (dies nimmt an, daß die mittlere Energie Eins ist).
Nach Gleichung (1) kann die Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen AVR, P(k), berechnet und die optimale Auswahl von kopt gefunden werden. Die Auswahl der Ordnung des optimalen Abtastwerts ist in Figur 5 durch eine Linie 42 als Funktion der Anzahl von Abtastwerten dargestellt. Man beobachtet, daß in diesem Fall die optimale Auswahl ungefähr 2/3 der Gesamtzahl von Abtastwerten ist. Die Wahrscheinlichkeit einer maximalen akzeptablen AVR ist auch angegeben. Man sieht, daß mit zunehmender Anzahl n von AVR-Abtastwerten die Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen AVR zunimmt. Hat man also einen benötigten Grad der Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen AVR, so wird die mindestens benötigte Anzahl von AVR-Abtastwerten und die Ordnung des optimalen Abtastwerts bestimmt.
Im Fall eines Kanals mit Fading und mit einem Störsignal hängt die geordnete Statistik nicht nur von der Fadingstatistik, sondern auch von der Charakteristik des Störsignals ab, die das Verhältnis der Stör- zur Signalstärke (I/S) und den Störbandbreitenfaktor φ (φ = Störbandbreite/ gesamte Sprungbandbreite) des Störers umfaßt. Im allgemeinen kann der Kanal als ein Rayleighfading- oder Ricifading-Kanal angenommen werden. Falls das I/S-Verhältnis und der Störbandbreitenfaktor φ des Störers genau vorhergesagt werden können, kann die Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen AVR, P(k), nach Gleichung (1) als Funktion von k dargestellt werden. Das Verfahren zur Berechnung von P(k) ist wie folgt:
Berechne die Wahrscheinlichkeit, daß ein Abtastwert durch ein Störsignal eingefangen wird, wie folgt: Gleichung (3):
wobei L die Gesamtzahl von Sprungpausen pro Abtastwert ist.
Berechne die Wahrscheinlichkeits-Dichtefunktion der aufgenommenen Abtastwerte :

Gleichung (4):

f(x) = (1 - α) pNI (x) + α pI (x)
wobei pNI(s) und pI(s) die Wahrscheinlichkeits-Dichtefunktionen des von der Störung eingefangenen bzw. nicht eingefangenen Abtastwerts auf der Grundlage der bekannten Statistik des Kanals und des Störsignals sind. Nimmt man beispielsweise an, daß der Kanal ein selektives Rayleigh-Fading aufweist und die Störquelle eine Anzahl von in Sichtlinie gesendeten Signalen ist, so werden die Dichtefunktionen pNI(s) und pI(s) nach den folgenden Formeln berechnet:

Gleichung (5):

pNI(x) = exp(-x) ;x≥0,S=1 Gleichung (6): Gleichung (7):
wobei I&sub0;(x) die Besselfunktion erster Ordnung und N die Gesamtzahl von Frequenzen ist.
Berechne die Warscheinlichkeit einer akzeptablen AVR, P(k).
Wähle k so aus, daß P(k) maximal ist. Der geordnete Abtastwert X[k] ist die optimale Auswahl für die AVR-Einstellung.
Es sei bemerkt, daß es möglich ist, daß der Störbandbreitenfaktor φ nicht genau vorhergesagt werden kann und ein Empfänger irgendwo innerhalb φmin ≤ φ ≤ φmax betrieben wird. Die Ordnung des optimalen Abtastwerts "kopt" kann mit einer Minimax-Technik wie folgt gefunden werden:
Zeichne die Kurve P(k) als Funktion von k für verschiedene Werte φ&sub1; = φmin, φ&sub2;, φ&sub3;,..., = φmax von φ, die verschiedene Unsicherheitsbereiche darstellen.
Bestimme Pmax = Maxk{MinφiP(k)} und das entsprechende "kopt" für den Unsicherheitsbereich aus den obigen Ergebnissen.

VERANSCHAULICHENDE ZAHLENBEISPIELE

Der Algorithmus für die AVR-Auswahl wird am einfachsten durch das folgende Beispiel veranschaulicht:
- Abfallzeit = 60 ms
- Sprungrate = 50 Sprünge/s
- Anzahl der Abtastwerte = 30
- AVR-Sendezeit = 1,8 s
- Kanal: Rayleigh-Fading
- Sichtlinien-Störquellen
- Stör- zu Signalleistungsverhältnis = I/S = 20 dB
- Störbandbreitenfaktor: 0 ≤ φ ≤ φmax = 12 %
- Gesamtzahl von Sprungfrequenzen = 200.
Die Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen AVR, P(k), ist berechnet und in Figur 6 für verschiedene Werte von φ dargestellt. Die Auswahl des optimalen "kopt" hängt deutlich von Tastverhältnis der Störung ab. Die Auswahl ist in der folgenden Tabelle zusammengefaßt: Tabelle 1: Optimale Auswahl von einer geordneten Statistik
Diese Ergebnisse zeigen, daß selbst bei äußeren Bedingungen mit starken Störungen die neu erdachte AVR-Methode für eine AVR-Schaltung sehr gut arbeitet. Dennoch kann die Leistungsfähigkeit erheblich verbessert werden, wenn die AVR-Schaltung so verbessert wird, daß sie kürzere Ansprech- und Abfallzeiten aufweist. Das folgende Beispiel ist die typische Veranschaulichung der AVR-Methode bei Verwendung von AVR-Schaltungen mit schnellerer Abfallzeit.
- Abfallzeit = 20 ms
- Sprungrate = 50 Sprünge/s
- Anzahl der Abtastwerte = 90
- AVR-Sendezeit = 1,8 s
- Kanal: Rayleigh-Fading
- Sichtlinien-Störquellen
- Stör- zu Signalleistungsverhältnis = I/S = 20 dB
- Störbandbreitenfaktor: 0 ≤ φ ≤ φmax = 12 %
- Gesamtzahl von Sprungfrequenzen = 200.
Die Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen AVR, P(k) ist berechnet und in Figur 7 für verschiedene Werte von φ dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, daß bei einer guten Auswahl des geordneten Abtastwerts die Leistungsfähigkeit der AVR-Schaltung mit langsamer Abfallzeit überlegen ist.

Claims

1. Vorrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung für einen Empfänger, insbesondere einen Empfänger mit Frequenzsprungtechnik, umfassend

(1.1) eine verstärkungsgesteuerte Verstärkerstufe (20) zum Einstellen der Verstärkung eines empfangenen Signales, wobei die Verstärkung der verstärkungsgesteuerten Verstärkerstufe (20) durch ein Verstärkungsregelsignal gesteuert wird,

(1.2) einen Generator (26) zur automatischen Verstärkungsregelung (AVR) zum Erzeugen eines Verstärkungsregelsignales für die verstärkungsgesteuerte Verstärkerstufe (20) zur Steuerung der Verstärkung auf der Grundlage der Stärke des empfangenen Signals, wobei der Generator (26) zur automatischen Verstärkungsregelung so gekoppelt ist, daß er die Stärke des empfangenen Signales mißt,

gekennzeichnet durch

(1.3) Reglermittel (34), die so gekoppelt sind, daß sie das Verstärkungsregelsignal des Generators zur automatischen Verstärkungsregelung abtasten, um Abtastwerte zu liefern,

(1.3.1) wobei die Reglermittel (34) auf der Grundlage einer geordneten Statistik aus den Abtastwerten das optimale Verstärkungsregelsignal wählen, wobei

(1.3.2) die Reglermittel (34) die Reihenfolge der Abtastwerte entsprechend der Amplitude bestimmen, und

(1.3.3) wobei die Reglermittel (34) den optimalen geordneten Abtastwert auf der Grundlage von Kriterien wählen, die entsprechend den äußeren Arbeitsbedingungen vorbestimmt sind, und

(1.4) Mittel zum Koppeln des optimalen Verstärkungsregelsignales von den Reglermitteln (34), um die Verstärkung der verstärkungsgesteuerten Verstärkerstufe (20) zu steuern.

2. Vorrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Koppeln des optimalen Verstärkungsregelsignales Schaltermittel (28) sind.

3. Vorrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglermittel (34) das optimale Verstärkungsregelsignal auf der Grundlage der Wahrscheinlichkeit einer akzeptablen automatischen Verstärkungsregelung, P(k), gemäß folgender Formel wählen:

wobei n die Gesamtzahl der aufgenommenen Abtastwerte ist, k der für die Einstellung der automatischen Verstärkungsregelung gewählte geordnete Abtastwert ist, und f(x) und F(x) die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion bzw. die kumulative Verteilungsfunktion der Abtastwerte x&sub1; der automatischen Verstärkungsregelung sind.

4. Vorrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reglermittel (34) ein Digitalprozessor sind, gekennzeichnet durch

(4.1) einen Analog-Digital-Umsetzer (30), dessen Eingang so gekoppelt ist, daß er das Verstärkungsregelsignal von dem Generator (26) zur automatischen Verstärkungsregelung abtastet, und dessen Ausgang an den Digitalprozessor gekoppelt ist, wobei der Analog-Digital-Umsetzer (30) das Verstärkungsregelsignal in ein digitales Signal zum Eingeben in den Digitalprozessor umwandelt, und

(4.2) einen Digital-Analog-Umsetzer (32), dessen Eingang an den Digitalprozessor gekoppelt ist, um das optimale Verstärkungsregelsignal zu empfangen, und dessen Ausgang an die Mittel zum Koppeln des optimalen Verstärkungsregelsignales gekoppelt ist, wobei der Digital-Analog-Umsetzer (32) das optimale Verstärkungsregelsignal zum Koppeln an die verstärkungsgesteuerten Verstärkerstufe (20) umwandelt.

5. Vorrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglermittel (34) so gekoppelt sind, daß sie das Verstärkungsregelsignal periodisch abtasten.

6. Empfänger mit Frequenzsprungtechnik von dem Typ, bei dem eine automatische Verstärkungsregelung durch eine geschlossene Schleife vorgesehen ist, die eine Vorrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfaßt.