Axel Gesell


Feedforward Symbol Timing Recovery: Computationally Efficient, Data-Aided Techniques for Digital Communication Receivers

Feedforward Symboltakt-Rückgewinnung: Aufwandsgünstige datengestüzte Methoden für digitale Empfänger

Band 5, Erlanger Berichte aus Informations- und Kommunikationstechnik, Herausgeber: A. Kaup, W. Koch, J. Huber. Shaker Verlag, Aachen, 2003.

Zusammenfassung

Digitale Nachrichtenübertragung erfordert am Empfänger eine Symboltaktrückgewinnung. Diese dient der Vermeidung eines nicht tolerierbaren Phasenfehlers bezüglich des Symboltaktes.

Im Mittelpunkt dieser Dissertation stehen Techniken zur ``feedforward Symboltaktrückgewinnung'' auf der Basis einer Trainings-Sequenz. Unter der Annahme einer äquidistanten Abtastung des Empfangssignals wird ein eventuell auftretender Taktphasenfehler zunächst geschätzt, und anschließend durch entsprechende Interpolation des abgetasteten Empfangssignals kompensiert. Es wird eine lineare Modulation unterstellt.

Generell umfasst der Anwendungsbereich nahezu alle digitalen übertragungssysteme mit blockweiser Datenübertragung, zum Beispiel TDMA (time-division multiple-access)-Systeme.

Im Fokus stehen Symboltaktrückgewinnungen mit hohen Anforderungen an die Performance, die Bandbreiteneffizienz (im Sinne einer kurzen, universell verwendbaren Trainingssequenz), und die Implementierung. Diese Design-Aspekte werden ausführlich erörtert, der Einfluss von statischen und zeitvarianten Taktphasenfehlern auf die Gesamtperformance, gemessen an der Bitfehlerwahrscheinlichkeit, wird demonstriert. Die entsprechenden Rechenwege sind teilweise neu. Entzerrung wird als mögliche Alternative zu einer Symboltaktrückgewinnung diskutiert.

Interpolatoren können zusätzlich zur Taktphasenkompensation auch für die Schätzung des Taktphasenfehlers selbst eine wichtige Rolle spielen. Daher ist diesem Thema ein eigenes Kapitel gewidmet. Unter der Voraussetzung bandbegrenzter Signale werden entsprechende Grundlagen, aufwandsgünstige Implementierungen für feste und variable Interpolationsphasen, und geeignete Design-Methoden aufgezeigt.

Ausgehend von Berechnungsvorschriften zur ``maximum-likelihood'' (ML)-Schätzung von Synchronisationsparametern wird eine untere Schranke für die Schätzvarianz auf der Basis der ``Cramer-Rao bound'' (CRB), bzw. der ``Fisher-Informations-Matrix'', berechnet. Für den Fall der DA und NDA Schätzung des Taktphasenfehlers wird die Schranke ausgewertet.

Die Berechnungsvorschrift für ideale ML-Schätzung ermöglicht zudem die Herleitung zahlreicher, praktikabler, z.T. neuer Methoden zur DA Taktphasenschätzung. Die neuen Methoden sind größtenteils wesentlich einfacher zu implementieren als viele bekannte Methoden, wie ein ausführlicher Vergleich bezüglich des erforderlichen Hardware-Aufwandes und der benötigten Abtastfrequenzen bestätigt. elbst NDA Methoden zur Taktphasenschätzung, oft verwendet wegen ihrer geringen Komplexität, sind im allgemeinen aufwendiger.

Unter der Annahme von frequenznichtselektiven Kanälen werden die vorgestellten Methoden hinsichtlich des systematischen Schätzfehlers, der Schätzvarianz und der Robustheit gegenüber kleineren Frequenzoffsets untersucht. Es wird gezeigt, dass hinsichtlich der Schätzvarianz die theoretische Grenze, die CRB, erreicht werden kann.

Für frequenzselektive Kanäle wird exemplarisch das Rummler-Kanalmodell verwendet. Dieses ermöglicht den Vergleich der verschiedenen Methoden zur Taktphasenschätzung auf der Basis ihrer Signaturen.

Abschließend wird als Anwendungsbeispiel ein mögliches Empfängerkonzept für ein TDMA-System diskutiert. Das Zusammenspiel verschiedener Empfängeraufgaben kann im Sinne einer aufwandsgünstigen Implementierung genutzt werden. Basierend auf Systemmessungen werden einige Performance Aspekte betrachtet.