Verbundoptimierung und Realisierung echtzeitfähiger blinder Kanalentzerrungs- und Synchronisationsmodule

Die vorliegende Arbeit soll auf die genannten Fragen qualifizierte und durch Experimente bestätigte Antworten geben. Zur praktischen Untermauerung der Simulationsergebnisse aus umfassenden und breit angelegten eigenen Studien dient ein in mehrjähriger Entwicklungsarbeit entstandenes Labor-Funkmodem. Der prototypisch realisierte Hardware-Aufbau ermöglicht eine objektive Leistungsbewertung unterschiedlicher blinder Entzerrverfahren bei Voranschaltung beliebiger international üblicher Referenz-Störkanäle. So lassen sich erstmalig sämtliche Simulationsergebnisse für die Basisbandsignalübertragung ebenso wie für gängige digitale Modulationsverfahren im Echtzeitbetrieb praktisch nachprüfen. Neben der Einhaltung der Echtzeitfähigkeit wurde besonderer Wert auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse gelegt. Der modulare Software-Aufbau ermöglicht den einfachen Wechsel einzelner Verarbeitungsblöcke innerhalb der Signalübertragungskette zur schnellen Anpassung an das zu untersuchende Experiment.
Besonders betont wird der Aspekt einer gemeinsamen "Verbundoptimierung" der Kanalentzerrungs- und der beiden beteiligten Synchronisationsmodule. Es konnte gezeigt werden, dass aufgrund der Vielzahl nichtlinearer Effekte hybride Algorithmen im direkten Vergleich mit kaskadierten Einzelalgorithmen nicht zwingend zu vorteilhafterem Gesamtverhalten führen. Unter Bewertung der erzielbaren Bitfehlerrate als Funktion des Störabstandes liefert der modifizierte "Decision Directed Modulus"-Algorithmus (MDDM) unabhängig vom Modulationsverfahren und vom Referenz-Störkanaltyp die besten Ergebnisse. Der Einsatz hybrider Algorithmen oder von Algorithmen mit modifizierten Nichtlinearitäten ermöglicht die Optimierung des Schrittweiteparameters bei gleichzeitiger Reduzierung der Entzerrerordnung.

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Moderne Kommunikationssysteme erfordern den Einsatz leistungsfähiger Funktionsblöcke zur Beseitigung kanalbedingter Signalverzerrungen. Im Gegensatz zu konventionellen Entzerrern, welche die Entfernung der auftretenden Störungen durch den Einsatz von Trainingssequenzen vollziehen, kommen "blinde" Entzerrer ohne diese Zusatzsymbole aus. Der Verzicht auf diese vordefinierten Trainingssequenzen ermöglicht eine deutliche Steigerung der Nettodatenrate des Kommunikationssystems.

Aktuelle Forschungsarbeiten im Themengebiet "Blinde Kanalentzerrung" konzentrieren sich neben der Optimierung des Adaptierungsprozesses auf die systembedingten Anpassungen beim Einsatz mehrstufiger digitaler Modulationsverfahren. Bei nahezu allen seither publizierten Arbeiten innerhalb des Forschungsgebiets wird perfekte Taktsynchronisation vorausgesetzt. Häufiger findet in diesem Zusammenhang die Trägersynchronisation Beachtung, allerdings unter der Verwendung unrealistischer Störgrößen. Aufgrund der getroffenen Annahmen (perfekter Takt, geringe Störgrößen) vereinfachen sich zwar die theoretische Analyse und die simulationsgestützte Untersuchung, diese idealisierten Voraussetzungen sind jedoch im praktischen Betrieb weder erfüllt noch umzusetzen. Bereits in den 90er Jahren wird von Jablon auf signifikante Probleme durch fehlerbehaftete Taktinformationen hingewiesen und von Nasir in 2010 als weiterhin ungelöste Problemstellung beschrieben. Praktische Lösungen – insbesondere für den Echtzeitbetrieb von Modems – gab es bisher leider nicht. Auch wurde das Problem der Positionierung des Entzerrers innerhalb der Signalverarbeitungskette relativ zu den beiden Synchronisationseinheiten bis heute nicht endgültig geklärt.

Die vorliegende Arbeit soll auf die genannten Fragen qualifizierte und durch Experimente bestätigte Antworten geben. Zur praktischen Untermauerung der Simulationsergebnisse aus umfassenden und breit angelegten eigenen Studien dient ein in mehrjähriger Entwicklungsarbeit entstandenes Labor-Funkmodem. Der prototypisch realisierte Hardware- Aufbau ermöglicht eine objektive Leistungsbewertung unterschiedlicher blinder Entzerrverfahren bei Voranschaltung beliebiger international üblicher Referenz-Störkanäle. So lassen sich erstmalig sämtliche Simulationsergebnisse für die Basisbandsignalübertragung ebenso wie für gängige digitale Modulationsverfahren im Echtzeitbetrieb praktisch nachprüfen. Neben der Einhaltung der Echtzeitfähigkeit wurde besonderer Wert auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse gelegt. Der modulare Software-Aufbau ermöglicht den einfachen Wechsel einzelner Verarbeitungsblöcke innerhalb der Signalübertragungskette zur schnellen Anpassung an das zu untersuchende Experiment.

Besonders betont wird der Aspekt einer gemeinsamen "Verbundoptimierung" der Kanalentzerrungs- und der beiden beteiligten Synchronisationsmodule. Es konnte gezeigt werden, dass aufgrund der Vielzahl nichtlinearer Effekte hybride Algorithmen im direkten Vergleich mit kaskadierten Einzelalgorithmen nicht zwingend zu vorteilhafterem Gesamtverhalten führen. Unter Bewertung der erzielbaren Bitfehlerrate als Funktion des Störabstandes liefert der modifizierte "Decision Directed Modulus"-Algorithmus (MDDM) unabhängig vom Modulationsverfahren und vom Referenz-Störkanaltyp die besten Ergebnisse. Der Einsatz hybrider Algorithmen oder von Algorithmen mit modifizierten Nichtlinearitäten ermöglicht die Optimierung des Schrittweiteparameters bei gleichzeitiger Reduzierung der Entzerrerordnung. Dadurch sollen minimale Verarbeitungszeiten und rasche Konvergenz des Fehlerenergieverlaufs erreicht werden. Ein neu vorgeschlagenes Verfahren kombiniert den "Stop-and-Go"-Algorithmus und den "Joint"-Algorithmus. Hierdurch lässt sich typischerweise eine 22-prozentige Reduktion der Sendeleistung bei gleicher Bitfehlerrate sowie eine 6-prozentige Verkürzung der Verarbeitungszeit gegenüber dem MDDM- Algorithmus erzielen. Darüber hinaus führt der Einsatz einer Software-AGC (Automatic Gain Control) erstmalig zur vollständigen Entzerrung leichter Störkanäle innerhalb des Labor- Funkmodems.