СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА КАНАЛА В ПРИЕМНИКЕ Российский патент 1999 года по МПК H04B3/46 H04B17/00 

Изобретение в целом относится к приемникам и в частности - к способу оценивания качества канала в приемнике с цифровой модуляцией.

Предшествующий уровень техники
В радиотелефонной системе полезно оценивать качество приемного канала. Радиотелефонная система обычно содержит многочисленные фиксированные приемопередатчики, которые способны обслуживать многочисленные радиотелефоны. Качество обслуживания каждым из фиксированных приемопередатчиков и отдельным радиотелефоном различно. Если радиотелефон может оценить качество принимающего канала, то радиотелефонная система может выбрать наиболее приемлемый фиксированный радиопередатчик.

Существует несколько различных общепринятых способов для оценки качества приемного канала. Обычно оценка качества канала включает оценку коэффициента ошибок в битах (bit error rate BER). Телефонная система множественного доступа с временным разделением каналов (МДВР) разделяет время на кадры, слова и временные интервалы. Системная инструкция требует оценку качества канала (ОКК) для каждого кадра. Каждый кадр называется интервалом наблюдения. Радиотелефон должен идентифицировать одну из четырех возможных категорий характеристик, где каждая категория соответствует конкретному диапазону BER канала, как показано в таблице 200 на фиг. 2. Более того, инструкция требует, чтобы радиотелефон идентифицировал правильную категорию характеристик при стандартных значениях ВЕR в полосе Рэлеевских замираний 40 Гц с плоской вершиной.

Точность общепринятой техники оценки качества канала недостаточна из-за ограниченного числа битов в пределах интервала наблюдения ОКК в вышеупомянутых системах МДВР, требующих ОКК для каждого кадра. Можно сослаться на статью " Techniques for Estimating the Bit Error Rate in the Simulation of Digital Communications". IEEE Journal on Selected Areas in Communications", Vol SAC-2, No. 1, January 1984 для определения подходящего числа битов наблюдения для оцениваемых BER с желаемой точностью.

Кадр в этой системе содержит 36 слов. Слово содержит 140 символов, выделяемых каждому радиотелефону. Таким образом, радиотелефон получает 5040 символов каждого кадра. Каждый символ содержит 2 бита. Два общепринятых метода ОКК включают: (1) подсчет ошибок в битах по известным частям слова (например, синхрослова, заголовки и т.д.), и (2) перекодирование битов декодированных данных и сравнение результирующей последовательности битов с принятыми канальными битами. Этот второй метод действует только на битах прямого исправления ошибок /FEC/. Оба этих метода неприемлемы для данной специальной системы из-за того, что число ошибок в битах? наблюдаемых в кадре, недостаточно для обеспечения желаемой точности.

Точность ОКК может быть улучшена при помощи "мягкой" информации ошибок, доступной на выходе демодулятора. Информация о фазовых ошибках - частный случай "мягкой" информации ошибок. Накопление величины фазовой ошибки (или квадрата величины фазовой ошибки) на интервале наблюдения ОКК и сравнение результата с заранее заданным набором порогов улучшило бы ОКК. Однако этот метод слишком чувствителен к частоте замираний канала и выдает различные результаты для сред без замираний и с замираниями. Это результат того, что определение величины ошибки (или квадрата величины ошибки) является нелинейной функцией коэффициента ошибок в битах канала.

Точная ОКК желательна для использования в приемнике МДВР. ОКК должна быть точной на заданном уровне точности в средах как без замираний, так и с замираниями для интервала наблюдения, имеющего ограниченное число битов наблюдения.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 - изображает блок-схему радиотелефонной системы в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 - таблицу, описывающую требования специальной радиотелефонной системы.

Фиг. 3 - детализированную блок-схему фазового демодулятора, показанного на Фиг. 1, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 - детализированную блок-схему устройства оценки качества канала (ОКК), показанного на Фиг. 1, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 5 - характерный интервал наблюдения ОКК в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 6 - таблицу, сравнивающую характеристики по общепринятой ОКК и ОКК по настоящему изобретению.

Фиг. 7 - таблицу, иллюстрирующую решения по ОКК, вырабатываемые устройством ОКК по Фиг. 3.

Фиг. 8 - таблицу, иллюстрирующую нелинейные отображения в системе, описанной в предпочтительном выполнении.

Фиг. 9 - график, изображающий среднюю величину ОКК и среднюю вероятность ошибки в битах для линейных и нелинейных отображений ОКК.

Фиг. 10 - график, соответствующий средней величине ОКК и средней вероятности ошибки в битах для статичных каналов и каналов с Рэлеевскими замираниями при общепринятой ОКК.

Фиг. 11 - график, отображающий вероятность того, что величина фазовой ошибки превысит границу в 5π /32 радиан по сравнению с коэффициентом ошибки в битах для статичного канала в соответствии с настоящим изобретением.

Описание предпочтительного варианта выполнения
Предпочтительный вариант выполнения содержит способ и устройство для оценивания качества канала в приемнике. Устройство оценки качества канала (ОКК) разделяет принятые данные на равные по размеру интервалы и подинтервалы наблюдения. Устройство ОКК вырабатывает независимую оценку для каждого интервала наблюдения, отражающую качество приемного канала.

Во-первых, устройство ОКК вырабатывает информацию об ошибках для каждого символа принятого сигнала. В предпочтительном выполнении устройство оценки качества канала использует информацию о величине фазовой ошибки, приходящуюся на интервал каждого символа, для создания информации об ошибке. Устройство ОКК может быть также снабжено другими генераторами информации об эквивалентно достаточных и общих ошибках. Далее, устройство ОКК собирает выработанную информацию об ошибке для каждого подинтервала, формируя значение ошибки подинтервала. Продолжительность подинтервала выбирается как наиболее долгий интервал, в котором канал по существу не имеет замираний. Далее, устройство ОКК преобразует значение ошибки подинтервала в оценку качества канала на подинтервале. В предпочтительном варианте выполнения оценка качества канала на подинтервале является оценкой коэффициента ошибок в битах, а преобразование - нелинейной функцией, зависящей от специфики радиосистемы. Наконец, устройство ОКК усредняет оценки качества канала на подинтервале по всему интервалу наблюдения, формируя оценку качества канала на интервале.

В предпочтительном варианте выполнения устройство ОКК сравнивает оценку качества канала на интервале с заранее заданным порогом, формируя решение об оценке качества канала для каждого интервала наблюдения. Радиотелефон может использовать решение об оценке ОКК или может передавать решение об оценке ОКК обратно на фиксированный приемопередатчик. Обычно решение об оценке ОКК оказывает влияние на решения радиотелефонной системы. Эти решения включают выбор подходящего фиксированного приемопередатчика для обслуживания радиотелефона и регулирование выходной мощности фиксированного приемопередатчика и/или радиотелефона.

На фиг. 1 приведена блок-схема радиотелефонной системы в соответствии с настоящим изобретением. В радиотелефонной системе фиксированный приемопередатчик 103 посылает сигналы радиочастоты (РЧ) к переносным радиотелефонам, находящимся в определенной географической зоне, обслуживаемой фиксированным приемопередатчиком 103, и принимает от них эти сигналы. Радиотелефон 101 является одним из таких радиотелефонов, обслуживаемых фиксированным приемопередатчиком 103.

Во время приема сигналов от фиксированного приемопередатчика 103 радиотелефон 101 использует антенну 105 для введения РЧ-сигналов и преобразования РЧ-сигналов в электрические РЧ-сигналы. Радиоприемник 111 получает электрические РЧ- сигналы для использования в радиотелефоне 101. Приемник 111 вырабатывает сигнал 115 промежуточной частоты, обозначенный через r₁(t) на фиг. 1. Этот сигнал 115 промежуточной частоты (ПЧ) вводится в фазовый демодулятор 119. Фазовый демодулятор 119 выдает сигнал 123 определения символа для использования его процессором 121 и сигнал 127 величины фазовой ошибки для использования его цепью 131 ОКК. Фиг. 3 иллюстрирует структуру фазового демодулятора 119. Цепь 131 ОКК использует сигнал 127 величины фазовой ошибки для выработки сигнала 129 решения об ОКК. Процессор 121, в свою очередь, использует сигнал 129 решения об ОКК. Фиг. 4 иллюстрирует элементы цепи 131 ОКК. Процессор 121 содержит микропроцессор типа MC68000, поставляемый фирмой Motorola Inc и связанную с ним память. Процессор 121 преобразует сигнал 123 определения символа в голосовой сигнал и/или данные для использования интерфейсом 125 пользователя. Интерфейс пользователя содержит микрофон, динамик и клавиатуру.

При передаче РЧ-сигналов из переносного радиотелефона 101 в фиксированный приемопередатчик 103 процессор 121 преобразует голосовой сигнал и/или сигналы данных из пользовательского интерфейса 125. В предпочтительном варианте выполнения преобразованные сигналы содержат сигнал 129 решения об ОКК. Преобразованные сигналы вводятся в передатчик 109. Передатчик 109 преобразует эти данные в электрические РЧ-сигналы. Антенна 105 получает электрические РЧ-сигналы и выдает их как РЧ-сигналы. Приемопередатчик 103 принимает эти РЧ-сигналы.

На фиг. 3 изображена блок-схема фазового демодулятора 119, показанного на фиг. 1. Фазовый демодулятор 119 содержит ограничитель 301, дифференциальный демодулятор 303, ограничитель 305 символов по максимуму и минимуму и генератор 331 сигнала величины ошибки. Ограничитель 301 получает ПЧ-сигнал 115 и ограничивает напряжение ПЧ-сигнала 115 до уровней, соответствующих логическим уровням 0 и 1. Ограничитель 301 выдает ограниченный принятый сигнал 321. Дифференциальный демодулятор 303 является цифровым и содержит фазовый детектор 311, который вырабатывает фазовый сигнал 323. Фазовый сигнал 323 вводится в элемент 313 задержки и в сумматор 315, формируя сигнал 333 разности фаз для дискретизатора 317 частоты символов. Дискретизатор 317 частоты символов дискретизирует сигнал 333 разности фаз один раз на каждый символ для выработки дискретизированного дифференциального фазового сигнала 327. Дискретизированный дифференциальный фазовый сигнал 327 выходит из дифференциального демодулятора 303 и вводится в ограничитель 305 символов по максимуму и минимуму. Ограничитель 305 символов по максимуму и минимуму принимает решение, что дифференциальный фазовый сигнал 327 является ближайшим, и выдает величину решения в виде символьного значения 123 решения. Генератор 331 фазовой ошибки вырабатывает сигнал 127 величины фазовой ошибки. Сначала генератор 331 фазовой ошибки создает сигнал 329 фазовой ошибки, равной разности между дискретизированным дифференциальным фазовым сигналом 327 и ближайшим к сигналу символьным значением 123 решения. Блок 309 генерирования абсолютного значения выдает абсолютное значение 329 сигнала фазовой ошибки, выражающееся в сигнале 127 величины фазовой ошибки.

Сигнал 127 величины фазовой ошибки обеспечивает измерение мгновенного качества канала для каждого принятого символа. График 1100 на фиг. 11 иллюстрирует вероятность превышения сигналом 127 величины фазовой ошибки 5π /32 радиан как функцию вероятности ошибки в битах в канале. Этот чертеж относится к передаче с помощью квадратурной манипуляции фазового сдвига (QPSK) в аддитивном канале без замираний с белым гауссовым шумом.

Линия 1101 стендовых измерений и смоделированная линия 1103 измерений иллюстрируют связь между характеристикой коэффициента ошибок в битах и измеренной величины фазовой ошибки. Однако связь между коэффициентом ошибок в битах и измеренной величиной фазовой ошибки для радиотелефона в предпочтительном варианте выполнения является нелинейной связью. Характеристики в средах без замираний и с замираниями значительно расходятся из-за нелинейной связи. Это расхождение иллюстрируется кривыми 1001 и 1003 графика 1000 на фиг. 10. В результате усреднения величины фазовой ошибки на интервале, в котором изменяется качество приемного канала, недостаточно для определения коэффициента ошибок в битах на этом интервале.

Метод оценки качества канала предпочтительного варианта решает вышеуказанную проблему нелинейности путем разделения интервала наблюдения на подинтервалы. Длина подинтервала определяется путем экспериментирования с конкретной системой. Оптимальной продолжительностью подинтервала является наиболее длинный интервал, на котором приемный канал приблизительно статичен (замирания отсутствуют), т.е. качество канала оценивается как константа.

График 500 на фиг.5 иллюстрирует интервалы и подинтервалы наблюдения, определенные для обеспечения наилучших характеристик для радиосистемы предпочтительного варианта. В общем случае интервал наблюдения содержит N символов, как отмечено поз. 501. Каждый из L подинтервалов содержит М символов, так что N = LM. Предпочтительный вариант предполагает, что максимальная частота замираний для системы будет приблизительно равна 100 Гц. Проверка системы с использованием максимальной частоты замираний показала, что оптимальная длительность М равна 10 символам, что обеспечивает статическое качество приемного канала. Интервал N наблюдения в предпочтительном варианте равен 5040, как того требует радиотелефонная система. Таким образом, число L подинтервалов равно 504 в предпочтительном варианте.

Фиг. 4 - детализированная блок-схема цепи 131 оценки качества канала по фиг. 1. Цепь 131 оценки качества канала принимает сигнал 127 величины фазовой ошибки и вырабатывает сигнал 129 решения об ОКК. Блок 401 производит мгновенную оценку качества канала для К-го символа Р-го подинтервала, используя сигнал 127 величины фазовой ошибки. К измеряется от 1 до М, а Р обозначает номер подинтервала, который изменяется от 1 до L. В предпочтительном варианте М равно 10, а L равно 504. Мгновенная оценка качества канала обычно известна как информация об ошибке на символьном интервале. Блок 401 показывает ошибку на символьном интервале, когда величина фазовой ошибки превышает заданный порог. В предпочтительном варианте заданный порог равен 5π /32 радиан. Этот порог может меняться в зависимости от требований конкретной приемной системы.

Сигнал 411 мгновенной оценки качества канала поступает в блок 403. Блок 403 определяет число символов в данном подинтервале Р, имеющих величину фазовой ошибки, превышающую заданный порог. Блок 403 вырабатывает сигнал 413 величины ошибки на подинтервале для каждого из L подинтервалов.

Сигнал 413 величины ошибки на подинтервале поступает в блок 405. Блок 405 отображает сигнал величины ошибки на подинтервале в соответствующую оценку качества канала, используя отображение статического качества канала. Предпочтительный вариант использует отображение оценки коэффициента ошибок в битах (BER). Характеристика BER является функцией способа модуляции, структуры демодулятора, закона мгновенного отображения и длины подинтервала радиосистемы. Таблица 800 на фиг. 8 является иллюстрацией нелинейного отображения, определенного для радиосистемы предпочтительного варианта. Столбец 801 представляет число раз, когда величина фазовой ошибки данного символа на подинтервал Р превзошла заданный порог 5π /32 радиан. Соответствующий коэффициент ошибок в битах в столбце 805 определяется из статической ОКК в сравнении с кривой коэффициента ошибок в битах ранее обсужденного графика 1100 на фиг. 11. Столбец 803 - вероятность того, что мгновенная величина фазовой ошибки превзойдет 5π /32 радиан в течение Р-го подинтервала. Преобразованные числа ОКК в столбце 807 приблизительно линейно пропорциональны числам BER в столбце 805. В соответствии с соотношением между столбцами 803 и 807 в таблице 800 блок 405 отображает сигнал 413 величины ошибки в подинтервале в сигнал 415 оценки BER. Сигнал 415 поступает в блок 407.

Блок 407 вычисляет среднюю оценку 417 качества канала в текущем интервале наблюдения путем усреднения L преобразованных подинтервальных оценок ВЕR по формуле

Среднее значение 417 ОКК для интервала наблюдения подается в пороговый блок 409 сравнения.

Блок 409 выполняет определение ОКК, сравнивая среднюю ОКК с заданным набором порогов. Предпочтительный вариант использует таблицу 700 на фиг. 7. Пороги Т1, Т2 и Т3 в 701 выбраны для обеспечения максимальной исправляющей способности по требованиям точности ОКК, как определено радиотелефонной системой в предпочтительном варианте. Пороговый блок 409 сравнения не является необходимым в изобретении, но является дополнительным признаком, требуемым в предпочтительном варианте. Выходом блока 409 предпочтительного варианта является сигнал 129 решения оценки качества канала, который является двухразрядным решением ОКК, как определено в столбце 703. Цепь 131 оценки качества канала может быть встроена в программируемую матрицу логических элементов, такую как Xilinx 3090, поставляемую фирмой Xilinx Inc.

График 900 на фиг. 9 показывает среднюю оценку качества канала как функцию средней вероятности ошибки в битах в средах без замираний и с замираниями. Линии 909 и 911 выражают линейное преобразование на интервале наблюдения, как это описано в прототипе и названо общепринятым способом. Линия 909 моделируется в статичной среде, а линия 911 - в среде с замиранием. Разница между 909 и 911 иллюстрирует недостатки общепринятого способа. Общепринятый способ, в частности, дает различную оценку качества канала в зависимости от условий, статичных или с замиранием, в которые помещен приемник.

Линии 905 и 907 выражают ОКК, как описано в предпочтительном варианте. Линия 905 - это измерение в статичной среде, а 907 - в среде с замиранием. Заметно, что линии 905 и 907 близки друг к другу. Эта близость показывает, что среднее значение ОКК является точной оценкой средней вероятности ошибки в битах как в статичных средах, так и в средах с замираниями. Вдобавок линии 901 и 903 представляют ОКК, сходную с системой, показанной линиями 905 и 907. Вторая система, представленная линиями 901 и 903, усредняет по большему числу подинтервалов L. Как показано линиями 901, 903, 905, 907, более тесное совпадение между характеристиками в статике и с замираниями наступает, когда длина интервала наблюдения увеличивается.

Стендовые измерения сведены в таблицу 600 на фиг. 6. Таблица 600 выполняет сравнение характеристики общепринятого способа ОКК и способа предпочтительного варианта. Общепринятый способ использует линейное отображение на интервал наблюдения. При стандартных BER, описанных в таблице 200 на фиг. 2, оба способа предсказывают подходящую категорию характеристик с точностью, превосходящей 85% в Рэлеевских замираниях в полосе 40 Гц. Способ предпочтительного варианта соответствует этой точности при действии в статичных средах. Однако общепринятый способ редко предсказывает подходящую категорию характеристик при действии в статичных средах. Таким образом, ОКК, описанная здесь, обеспечивает точную оценку вероятности ошибки в битах для принимаемого сигнала как в средах с замираниями, так и в статичных средах для интервала наблюдения, имеющего ограниченное число битов наблюдения.

Настоящее изобретение включает в себя способ и устройство для оценки качества канала (OKK) в приемнике. Каждый канал делится на интервалы наблюдения и подинтервалы. Продолжительность подинтервала выбирается как наибольший интервал, на котором канал статичен. Устройство ОКК вырабатывает информацию об ошибке для каждого символа на подинтервале и собирает информацию об ошибке для символьного интервала, формируя величины ошибок на подинтервале. Устройство ОКК преобразует величину ошибки на подинтервале в оценку коэффициента ошибок в битах (BER) на подинтервале. Это преобразование является нелинейной функцией, зависящей от конкретной радиосистемы. Затем устройство ОКК усредняет оценки BER на подинтервале по всему интервалу наблюдения, формируя оценку BER на интервале. Наконец, устройство ОКК сравнивают оценку OKK на интервале с заданным порогом, формируя оценку качества канала для каждого интервала наблюдения, что и является техническим результатом. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 11 ил.

1. Способ оценки качества канала в приемнике с цифровой модуляцией, принимающем символы с символьным интервалом, заключающийся в том, что разделяют принятые данные на интервалы с заранее заданной длиной, отличающийся тем, что разделяют заранее заданную длину первого интервала на заранее заданное число подинтервалов, генерируют информацию об ошибке для каждого символьного интервала, объединяют указанную информацию об ошибке по каждому подинтервалу, формируют величину ошибки на подинтервале, преобразуют указанную величину ошибки на подинтервале в оценку качества канала на подинтервале и усредняют указанную оценку качества канала на подинтервале по заранее заданному интервалу с формированием оценки качества канала на интервале. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что генерируют информацию об ошибке путем измерения величины фазовой ошибки каждого символа, сравнения указанной величины фазовой ошибки каждого символа с заданным порогом и указания ошибки символьного интервала в случае, если указанная величина фазовой ошибки превосходит указанный заданный порог. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что разделяют заранее заданную длину первого интервала на заданное число подинтервалов путем выбора наибольшего подинтервала, на котором качество канала остается постоянным. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразуют величину ошибки на подинтервале в оценку качества канала на подинтервале путем определения преобразования как нелинейного преобразования величины ошибки на подинтервале в оценку качества канала на подинтервале, которая пропорциональна коэффициенту ошибок в битах на подинтервале. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что указанная операция преобразования зависит от характеристик приемника, вида модуляции и длины подинтервала. 6. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что дополнительно сравнивают оценку качества канала на интервале с по меньшей мере первым порогом и вырабатывают оценку качества канала в соответствии с указанной операцией сравнения. 7. Радиотелефон, выполненный с возможностью подключения между множеством фиксированных приемопередатчиков, содержащий приемник и передатчик и принимающий сигнал радиочастоты по меньшей мере от первого фиксированного приемопередатчика по первому каналу, отличающийся тем, что он содержит средство для выработки решения о символах из принятых сигналов радиочастоты и выдающее сигнал величины фазовой ошибки на средства оценки для определения качества первого канала в течение первого периода времени на длине первого заранее заданного интервала с использованием заранее заданного числа подинтервалов, средства сравнения, содержащие средства для выработки информации об ошибке для каждого решения о символах, средства для объединения указанной информации об ошибке на каждом подинтервале и формирования величины ошибки на подинтервале, средства для преобразования величины ошибки на подинтервале в оценку коэффициента ошибок в битах (ВЕR) на подинтервале, средства для усреднения указанной оценки ВЕR на подинтервале на заранее заданном первом интервале и формирования сигнала оценки ВЕR на интервале и средства для выработки решения об оценке качества первого канала при помощи указанного сигнала оценки ВЕR на интервале, а также средства для передачи указанной оценки качества первого канала указанному первому фиксированному приемопередатчику. 8. Радиотелефон по п.7, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оценивающие средства для определения качества второго канала во второй период времени на длине второго заранее заданного интервала с формированием оценки качества второго канала и средства для передачи указанной оценки качества второго канала указанному первому фиксированному приемопередатчику, причем указанный первый фиксированный приемопередатчик выполнен с возможностью выбора предпочтительного фиксированного приемопередатчика.