Inhalt

•  
   Zusammenfassung
•  
  Inhaltsverzeichnis
•  
  1 Einleitung 1
•  
   1.1 Marktentwicklung des digitalen terrestrischen Fernsehens 1
•  
   1.1.1 Standardisierung der Übertragungssysteme 3
•  
   1.1.2 Bedeutung der Empfängertechnologie 6
•  
   1.2 Zielsetzung, Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit 7
•  
  2 Übertragungstechnisches Konzept des OFDM-Systems 12
•  
   2.1 Eigenschaften des terrestrischen Übertragungsweges 12
•  
   2.1.1 Modellierung zeitvarianter linearer Systeme 12
•  
   2.1.2 Modellierung als Zufallsprozess 14
•  
   2.2 Grundlagen der OFDM-Übertragung 17
•  
   2.2.1 Übertragung digitaler Signale 18
•  
   2.2.2 OFDM-Signalmodell 20
•  
   2.2.3 Empfang von OFDM-Signalen 25
•  
   2.2.4 Kanalverzerrungen und Einführung des Schutzintervalls 29
•  
  3 Quadraturmischung und Empfangskonzepte für digitale TV-Signale 32
•  
   3.1 Quadraturmischung 32
•  
   3.2 Empfangskonzepte für digitale TV-Signale 38
•  
   3.2.1 Konventionelle Empfangskonzepte 38
•  
   3.2.2 Fortschrittliche Empfangskonzepte 40
•  
  4 IQ-Unsymmetrien in OFDM-Systemen 43
•  
   4.1 Mathematische Beschreibung der IQ-Unsymmetrien 43
•  
   4.1.1 Signalmodell 43
•  
   4.1.2 Frequenzbereichsbetrachtung 46
•  
   4.2 Auswirkung der IQ-Fehler auf das demodulierte OFDM-QAM-Signal 49
•  
   4.2.1 Frequenzbereichsdarstellung des IQ-Fehlers 49
•  
   4.2.2 Bewertungskriterien 52
•  
  5 Kanalschätzung für OFDM-Signale 60
•  
   5.1 Struktur einer trainingssymbolgestützten Kanalschätzung 61
•  
   5.2 Kanalschätzung mittels Interpolation 63
•  
   5.2.1 Bedeutung der Rahmenstruktur 64
•  
   5.2.2 Konventionelle Interpolationsfilterung 68
•  
   5.2.3 Wiener-Filterung zur Interpolation und Glättung 70
•  
   5.3 Adaptive Kanalentzerrung 72
•  
   5.4 DVB-T-spezifische Implementierungsaspekte 73
•  
  6 Digitale IQ-Fehlerkompensation durch Frequenzbereichsentzerrung 77
•  
   6.1 Separate Kompensation von IQ-Unsymmetrien 77
•  
   6.1.1 Struktur des Kompensationsverfahrens 78
•  
   6.1.2 Frequenzabhängige Kompensation der IQ-Verzerrungen 81
•  
   6.1.3 DVB-T-spezifische Implementierungsaspekte 87
•  
   6.1.4 Simulationsergebnisse und Bewertung 91
•  
   6.2 Erweiterte adaptive Frequenzbereichsentzerrung 95
•  
   6.2.1 Modifizierte adaptive Filterstruktur 97
•  
   6.2.2 DVB-T-spezifische iterative Koeffizienteneinstellung 101
•  
   6.2.3 Simulationsergebnisse und Bewertung 106
•  
   7 Diskussion und Ausblick 115
•  
  1 Einleitung
•  
   1.1 Marktentwicklung des digitalen terrestrischen Fernsehens
•  
  Set-Top-Box-Einheiten in tausend
•  
   Abb. 1.1 Absatzmarkt der Set-Top-Boxen für digitalen terrestrischen TV-Empfang
•  
  Umsatz in Mio $
•  
   Abb. 1.2 Halbleiter-Umsatzvolumen in Set-Top-Boxen für digitalen terrestrischen TV-Empfang
•  
   1.1.1 Standardisierung der Übertragungssysteme
•  
   minimale
•  
  Sendeleistung
•  
   Abb. 1.3 Entwurfsziele für ein digitales Übertragungssystem
•  
   Tab. 1.1 Systemmerkmale terrestrischer digitaler TV-Übertragungsstandards
•  
   1.1.2 Bedeutung der Empfängertechnologie
•  
   1.2 Zielsetzung, Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit
•  
   Simulationssoftware
•  
  MATLAB“/SPW“
•  
   Abb. 1.4 Implementierungsstrategie der IQ-Fehler-Kompensationsalgorithmen
•  
   PRBS-
•  
  Quelle
•  
   Abb. 1.5 Funktionsblöcke der Basisband-Simulationsanordnung nach DVB-T- Standard
•  
  2 Übertragungstechnisches Konzept des OFDM- Systems
•  
  2.1 Eigenschaften des terrestrischen Übertragungsweges
•  
   2.1.1 Modellierung zeitvarianter linearer Systeme
•  
   , (2.1)
•  
   . (2.2)
•  
   . (2.3)
•  
  z-1
•  
   Abb. 2.1 Zeitdiskretes Kanalmodell des zeitvarianten Mehrwegekanals
•  
  2.1.2 Modellierung als Zufallsprozess
•  
   . (2.4)
•  
   . (2.5)
•  
   , (2.6)
•  
   zeitvariante Impulsantwort
•  
  h(t,t)
•  
   Abb. 2.2 Grundlegende Beschreibungsformen für WSSUS-Systeme
•  
   (2.7)
•  
   . (2.8)
•  
   , (2.9)
•  
   Zeit-Frequenz-Korrelationsfunktion
•  
  jHH(Df,Dt)
•  
   Abb. 2.3 Statistische Kenngrößen und ihre Beziehungen
•  
   2.2 Grundlagen der OFDM-Übertragung
•  
   2.2.1 Übertragung digitaler Signale
•  
   Abbildung
•  
  (Mapping)
•  
   Abb. 2.4 Digitales Übertragungssystem
•  
   (2.10)
•  
   . (2.11)
•  
   . (2.12)
•  
  2.2.2 OFDM-Signalmodell
•  
   . (2.13)
•  
   . (2.14)
•  
   . (2.15)
•  
   (2.16)
•  
   . (2.17)
•  
   . (2.18)
•  
   . (2.19)
•  
  w(t)
•  
   Abb. 2.5 Mehrträger-Sendermodell
•  
   Abb. 2.6 Orthogonalität der Trägerfunktionen
•  
   (2.20)
•  
   . (2.21)
•  
   (2.22)
•  
   , (2.23)
•  
   . (2.24)
•  
   (2.25)
•  
   . (2.26)
•  
   2.2.3 Empfang von OFDM-Signalen
•  
  h[m,n]
•  
   Abb. 2.7 Äquivalentes Tiefpass-Kanalmodell
•  
   . (2.27)
•  
   . (2.28)
•  
   . (2.29)
•  
   . (2.30)
•  
   . (2.31)
•  
   . (2.32)
•  
   . (2.33)
•  
   Abb. 2.8 Zeitdiskreter OFDM-Korrelationsempfänger
•  
  h[n]
•  
   Abb. 2.9 DFT-Realisierung eines ODFM-Übertragungssystems in Basisband- Darstellung
•  
   2.2.4 Kanalverzerrungen und Einführung des Schutzintervalls
•  
  s[n]
•  
   Abb. 2.10 Zyklische Ergänzung des OFDM-Symbols
•  
   (2.34)
•  
   . (2.35)
•  
   . (2.36)
•  
  3 Quadraturmischung und Empfangskonzepte für digitale TV-Signale
•  
   3.1 Quadraturmischung
•  
   . (3.1)
•  
   . (3.2)
•  
   . (3.3)
•  
   Abb. 3.1 Übertragungsfunktionen des Bandpass-Signals und seines äquivalenten Tiefpass-Signals [6]
•  
   . (3.4)
•  
  H(f)
•  
   Abb. 3.2 Quadraturmischung zur Erzeugung des äquivalenten Tiefpass-Signals s(t). (a) mit komplexw...
•  
   . (3.5)
•  
   . (3.6)
•  
   . (3.7)
•  
   , (3.8)
•  
   . (3.9)
•  
   . (3.10)
•  
  3.2 Empfangskonzepte für digitale TV-Signale
•  
   3.2.1 Konventionelle Empfangskonzepte
•  
  HF-Vorselektion
•  
   Abb. 3.3 Überlagerungsempfänger mit nachfolgender digitaler Quadraturmischung
•  
  HF-Vorselektion
•  
   Abb. 3.4 Mischung durch Bandpass-Unterabtastung
•  
   3.2.2 Fortschrittliche Empfangskonzepte
•  
  HF-Vorselektion
•  
   Abb. 3.5 Direktmischender Empfänger
•  
  HF-Vorselektion
•  
   Abb. 3.6 Überlagerungsempfänger mit direktmischender zweiter Stufe
•  
  4 IQ-Unsymmetrien in OFDM-Systemen
•  
  4.1 Mathematische Beschreibung der IQ-Unsymmetrien
•  
   4.1.1 Signalmodell
•  
  TP
•  
   Abb. 4.1 Modell des analogen Quadraturdemodulators mit IQ-Unsymmetrien
•  
   . (4.1)
•  
   . (4.2)
•  
   . (4.3)
•  
   . (4.4)
•  
   . (4.5)
•  
  4.1.2 Frequenzbereichsbetrachtung
•  
   . (4.6)
•  
   . (4.7)
•  
   . (4.8)
•  
   . (4.9)
•  
   Abb. 4.2 Auswirkungen der IQ-Unsymmetrie auf einen Einzelträger
•  
   Tab. 4.2 Verzerrungsparameter m, n für typische Werte von e und Dj
•  
  4.2 Auswirkung der IQ-Fehler auf das demodulierte OFDM- QAM-Signal
•  
  4.2.1 Frequenzbereichsdarstellung des IQ-Fehlers
•  
   . (4.10)
•  
   . (4.11a)
•  
   . (4.11b)
•  
   . (4.12)
•  
   . (4.13)
•  
   . (4.14)
•  
   (4.15)
•  
   (4.16)
•  
   . (4.17)
•  
   (4.18)
•  
   4.2.2 Bewertungskriterien
•  
   . (4.19)
•  
   . (4.20)
•  
   . (4.21)
•  
   (4.22)
•  
   . (4.23)
•  
  Dj=0˚
•  
   Abb. 4.3 Spiegelsignal-Störleistung
•  
   . (4.24)
•  
   (4.25)
•  
   . (4.26)
•  
   (4.27)
•  
   . (4.28)
•  
   (4.29)
•  
   . (4.30)
•  
   . (4.31)
•  
   . (4.32)
•  
   Amplitudenunsymmetrie e=0.05
•  
  Phasenunsymmetrie Dj=5˚
•  
   Abb. 4.4 Durch IQ-Unsymmetrien verzerrte OFDM-64-QAM Signalkonstellationen
•  
  C/N in dB
•  
   Abb. 4.5 Simulierte Symbolfehlerraten der durch IQ-Unsymmetrien gestörten OFDM-64-QAM-Übertragung
•  
   5 Kanalschätzung für OFDM-Signale
•  
   5.1 Struktur einer trainingssymbolgestützten Kanalschätzung
•  
  Hi[0]
•  
   Abb. 5.1 Mehrträger-Kanalmodell [30]: (a) im Zeitbereich, (b) im Frequenzbereich
•  
   . (5.1)
•  
   . (5.2)
•  
  FFT
•  
   Abb. 5.2 Multipliziererbank als linearer Frequenzbereichsentzerrer für OFDM- Signale
•  
   5.2 Kanalschätzung mittels Interpolation
•  
   . (5.3)
•  
   . (5.4)
•  
   5.2.1 Bedeutung der Rahmenstruktur
•  
   Abb. 5.3 Pilotanordnungen. (a) Kamm-Muster, (b) Block-Muster
•  
   Abb. 5.4 Ideale Interpolation in Zeitrichtung
•  
  . (5.5)
•  
   Tab. 5.1 Maximal zulässige höchste Frequenzkomponente fg im Leistungsdichtespektrum von Hi[k]
•  
   Abb. 5.5 Ideale Interpolation in Frequenzrichtung
•  
  . (5.6)
•  
   Tab. 5.2 Maximal zulässige Kanal-Stoßantwortlänge
•  
   5.2.2 Konventionelle Interpolationsfilterung
•  
  Interpolation in Zeitrichtung
•  
   Abb. 5.6 Zweistufige Interpolation in Zeit- und Frequenzrichtung für eine Pilotanordnung (scatter...
•  
   5.2.3 Wiener-Filterung zur Interpolation und Glättung
•  
   . (5.7)
•  
   5.3 Adaptive Kanalentzerrung
•  
  z-N
•  
   Abb. 5.7 Adaptive Frequenzbereichsentzerrung mittels LMS-Algorithmus [44].
•  
  5.4 DVB-T-spezifische Implementierungsaspekte
•  
   . (5.8)
•  
  FFT
•  
   Abb. 5.8 Funktionsblöcke der Implementierung der konventionellen zweistufigen Kanalschätzung
•  
   . (5.9)
•  
   Stützstellen-
•  
  schätzwert
•  
   Abb. 5.9 Funktionsblöcke des Simulationsmodells der Interpolation in Zeitrichtung (P' bezeichnet ...
•  
  6 Digitale IQ-Fehlerkompensation durch Frequenzbereichsentzerrung
•  
   6.1 Separate Kompensation von IQ-Unsymmetrien
•  
   6.1.1 Struktur des Kompensationsverfahrens
•  
   IQ-
•  
  Demodulator
•  
   Abb. 6.1 Prinzipielle Strukturen konventioneller IQFehler- Kompensationsverfahren
•  
   IQ-
•  
  Demodulator
•  
   Abb. 6.2 Struktur einer frequenzabhängigen separaten IQ-Fehlerkompensation für den Empfang von OF...
•  
  6.1.2 Frequenzabhängige Kompensation der IQ-Verzerrungen
•  
   (6.1)
•  
   . (6.2)
•  
   . (6.3)
•  
   . (6.4)
•  
   . (6.5)
•  
   (6.6)
•  
   . (6.7)
•  
   (6.8)
•  
   . (6.9)
•  
   . (6.10)
•  
   . (6.11)
•  
  Trägerfrequenzindex
•  
   Abb. 6.3 Vektordiagramme zur Bestimmung von n[-k] (Ergebnisvektoren sind mit dick gezogenen Linie...
•  
   . (6.12)
•  
   . (6.13)
•  
  (b)
•  
   Abb. 6.4 IQ-Fehlerkorrektur (e[k]=0.1, Dj[k]=10˚ und e[-k]=0.12, Dj[k]=12˚). (a) Rein re...
•  
   6.1.3 DVB-T-spezifische Implementierungsaspekte
•  
   reine IQ-Unsymmetrie
•  
   mit linearen Kanalverzerrungen
•  
  mit Rauschen (SNR = 30 dB)
•  
   Abb. 6.5 Zeitlicher Verlauf der Schätzung des IQ-Fehlers n[k] (Realteil) bei Implementierung der ...
•  
  Symbol #3
•  
   Abb. 6.6 Interpolation des Verzerrungsparameters n[k]
•  
   IQ-
•  
  Demod
•  
   Abb. 6.7 Funktionales Blockdiagramm der separaten IQ-Fehlerkompensation für DVB-T-Empfänger
•  
   6.1.4 Simulationsergebnisse und Bewertung
•  
  ohne IQ-Fehlerkompensation
•  
   Abb. 6.8 Konstellationsdiagramme bei reiner IQ-Unsymmetrie (rauschfreie Übertragung ohne lineare ...
•  
  ohne IQ-Fehlerkompensation
•  
   Abb. 6.9 Konstellationsdiagramme bei linearen Kanalverzerrungen (rauschfreie Übertragung)
•  
  ohne IQ-Fehlerkompensation
•  
   Abb. 6.10 Konstellationsdiagramme mit AWGN (SNR=30 dB und ohne lineare Kanalverzerrungen)
•  
  6.2 Erweiterte adaptive Frequenzbereichsentzerrung
•  
   . (6.14)
•  
   , (6.15)
•  
  FFT
•  
   Abb. 6.11 Erweiterte adaptive Frequenzbereichsentzerrung für ein OFDM-Signal
•  
   6.2.1 Modifizierte adaptive Filterstruktur
•  
  Koeffizienten-Adaption
•  
   Abb. 6.12 Lineares adaptives Transversalfilter
•  
  Koeffizienten-Adaption
•  
   Abb. 6.13 Erweiterte adaptive Filterstruktur zur Kompensation der IQ- Unsymmetrie des Unterträger...
•  
   . (6.16)
•  
   . (6.17)
•  
   (6.18)
•  
   . (6.19)
•  
   , (6.20)
•  
   . (6.21)
•  
   . (6.22)
•  
   . (6.23)
•  
  6.2.2 DVB-T-spezifische iterative Koeffizienteneinstellung
•  
   . (6.24)
•  
   (6.25)
•  
   (6.26)
•  
  Koeffizienten-Adaption
•  
   Abb. 6.14 Prozess der iterativen Koeffizienteneinstellung nach dem LMS- Algorithmus im Simulation...
•  
   Referenzgenerator
•  
   und
•  
  Entscheider
•  
   Abb. 6.15 Implementierung der erweiterten Kanalentzerrung mit iterativer Koeffizienteneinstellung...
•  
   6.2.3 Simulationsergebnisse und Bewertung
•  
  FFT-Ausgangssignal
•  
   Abb. 6.16 Konstellationsdiagramme bei linearen Kanalverzerrungen (LMS- Schrittweite m=0.075, di...
•  
  FFT-Ausgangssignal
•  
   Abb. 6.17 Konstellationsdiagramme während der Adaptionsphase mit AWGN (SNR=30 dB, LMS-Schrittwe...
•  
  Im{C[k] }
•  
   Abb. 6.18 Koeffizientenadaption im rauschfreien Fall ohne Kanalverzerrungen (m=0.075, Hi[k]=H...
•  
  Im{C[k] }
•  
   Abb. 6.19 Koeffizientenadaption mit AWGN (sN2=0.01 entsprechend SNR=20dB für S=1 und ohne ...
•  
  Iteration #
•  
   Abb. 6.20 Koeffizientenadaption bei linear verzerrtem Kanal mit LMS- Schrittweite m=0.075 (simu...
•  
  | H[k] |
•  
   Abb. 6.21 Koeffizientenadaption bei linear verzerrtem Kanal mit LMS- Schrittweite m=0.2
•  
  Iteration #
•  
   Abb. 6.22 Koeffizientenadaption im zeitvarianten Kanal
•  
   7 Diskussion und Ausblick
•  
   Anhang
•  
  Anhang A Abwärtsmischung durch Bandpass- Unterabtastung
•  
   Abb. A.1 Spektrum des Bandpass-Signals vor und nach Abtastung
•  
   (A.1)
•  
   , (A.2)
•  
   . (A.3)
•  
   (A.4)
•  
  fs/MHz
•  
   Abb. A.2 Zulässige Bereiche der Abtastfrequenz bei der Abtastung eines Bandpass- Signals
•  
  Anhang B Zero-Forcing Kriterium
•  
   , (B.1)
•  
   . (B.2)
•  
   (B.3)
•  
  Koeffizienten-Adaption
•  
   Abb. B.1 Linearer Transversalentzerrer
•  
  Anhang C Lineare Optimalfilterung (Wiener-Filterung)
•  
  Wiener-Filter
•  
   Abb. C.1 Optimalfilterung
•  
   (C.1)
•  
   , (C.2)
•  
   (C.3)
•  
   . (C.4)
•  
   . (C.5)
•  
   . (C.6)
•  
   . (C.7)
•  
   . (C.8)
•  
   (C.9)
•  
   . (C.10)
•  
  Anhang D LMS-Algorithmus
•  
   . (D.1)
•  
   (D.2)
•  
   . (D.3)
•  
   . (D.4)
•  
  Anhang E Singularität der modifizierten Autokorrelationsmatrix R
•  
   . (E.1)
•  
   . (E.2)
•  
   (E.3)
•  
   (E.4)
•  
   Verzeichnis der Variablen
•  
   Verzeichnis der Abkürzungen
•  
  Literaturverzeichnis
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