Algorithmen zu kohärenten Demodulation in einem digitalen Diversity-Empfänger für Uebertragungssysteme mit Bandspreizung

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1 Research Collection Doctoral Thesis Algorithmen zu kohärenten Demodulation in einem digitalen Diversity-Empfänger für Uebertragungssysteme mit Bandspreizung Author(s): Fawer, Urs Publication Date: 1993 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss. ETH Nr Algorithmen zur koharenten Demodulation in einem digitalen Diversity-Empfanger fiir Ubertragungssysteme mit Bandspreizung ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels DOKTOR DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN der EIDGENOSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZURICH vorgelegt von URS FAWER Dipl. El.-Ing. ETH geboren am 3. Mai 1962 von Miinchenwiler (BE) Angenommen auf Antrag von Prof. Dr. P. E. Leuthold, Referent Prof. Dr. A. Kalin, Korreferent Zurich 1993

3 Abstract In this thesis, novel digital synchronization algorithms are introduced which are well suited for implementation in the investigated coherent diversity-receiver operating in a cellular mobile radio system. Severe multipath propagation is "typically" encountered in such transmission systems. Thus, the momentary impulse response of the radio channel inherently contains time diversity, or multipath diversity, respec tively. The transmission scheme employs direct-sequence spread-spectrum (DSSS) signalling. In consequence the preprocessing in the receiver is per formed by a RAKE-correlator with L arms assigned to data demodulation. The parameter L is usually termed as the order of diversity. The synchronization algorithms are derived invoking the maximumlikelihood rule. The investigations include synchronization of the sprea ding code, which is separated into acquisition and scanning (tracking), an algorithm for estimating the complex-valued channel coefficients with maximal ratio combining (MRC), as well as automatic frequency control. The synthesis and the analysis are both based upon a discrete-time trans mission model. Among other items, the latter includes the momentary impulse response of the radio channel as well as the frequency offset be tween the carrier of the transmitter and receiver. The implementation complexity of the resulting algorithms is rea sonable taking into account the number and the type of computational operations required. The presented schemes show a satisfactory transient behaviour. The diversity can be fully exploited in the receiver. Finally, a prototype transceiver is described which uses a signal processing scheme consisting of the introduced algorithms for synchronization and data de modulation. This gives a realistic idea of the implementation cost. i

4 dem nach Kurzfassung In der vorliegenden Abhandlung werden neuartige, digitale Synchronisationsalgorithmen vorgestellt, welche sich zur Implementierung im untersuchten koharenten Diversity-Empfanger fiir ein zellulares Funkiibertragungssystem eignen. In den betrachteten Systemen weist die Ubertragungsstrecke typischerweise" eine ausgepragte Mehrwegausbreitung auf; die momentane Kanalstossantwort beinhaltet demnach eine inharente Zeit- oder vielmehr Mehrweg-Diversity. Es erfolgt eine Bandspreizung mittels des als DSSS (direct-sequence spread-spectrum) bezeichneten Verfahrens. Aufgrund der erwahnten Diversity wird im Empfanger zur Vorverarbeitung ein RAKE-Korrelator eingesetzt, welcher L der Datendemodulation zugeordnete Arme enthalt. Es ist ebenfalls iiblich, den Parameter L mit Diversity-Ordnung zu bezeichnen. Die Herleitung der Synchronisationsalgorithmen erfolgt unter Beizug der Maximum-Likelihood-Funktion. Im einzelnen werden die in Akquisition und Scanning (Feinsynchronisation) unterteilte Codesynchronisation, der Algorithmus zur Estimation der komplexwertigen Kanalkoeffizienten mit dem Combining - Zusammenfuhren und Gewichten - der mit MRC (maximal ratio combining) bezeichneten Regel und die automatische Frequenzregelung untersucht. Die Synthese sowie die Analyse basieren auf einem zeitdiskreten Ubertragungsmodell, das neben der momentanen Kanalstossantwort unter anderem auch den Frequenzversatz zwischen der Tragerfrequenz des Senders und Empfangers nachbildet. Die resultierenden Algorithmen, welche eine Ausniitzung der Diver sity im Empfanger gewahrleisten, zeichnen sich durch eine bescheidene Komplexitat beziiglich der Anzahl und Art der involvierten Rechenoperationen und durch ein gutes transientes Verhalten aus. Die Beschreibung des als Prototyp realisierten Sender-Empfangers (transceiver) vermittelt 111

5 iv Kurzfassung ausserdem einen Einblick hinsichtlich des Aufwandes, welcher mit einer Implementierung der hergeleiteten Algorithmen zur Synchronisation und koharenten Datendemodulation verbunden ist.