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Die Erfindung betnfft ein Verfahren zur Übertragung von Daten durch ein Mehrträgerverfahren, z. B. DMT (Discrete Multitone) in einem Übertragungskanal, bei dem die Daten in einem Sender zu Blöcken mit gleicher Anzahl M an Informationssymbolen zusammengefasst, durch eine Inverse- Fast-Fourier-Transformation (IFFT) moduliert und übertragen werden, und in einem Empfänger durch Fast-Fourier-Transformation (FFT) demoduliert werden, wobei senderseitig zwischen den Blöcken jeweils ein Guard-Intervall für die empfängerseitige Entzerrung eingefügt und mitübertra- gen wird, welches Guard-Intervall eine Länge P aufweist, die grösser oder gleich der Gedächtnis- länge des Übertragungskanals ist.
Viele der bekannten Daten-Übertragungsverfahren nutzen den verfügbaren Frequenzbereich eines Übertragungskanals durch geeignete Modulation mehrerer Trägerfrequenzen mit den zu übertragenden Daten.
Bei einer Frequenzmultiplex-Übertragung wird eine Unterteilung in mehrere Frequenzlagen vorgenommen, über die die Information übertragen wird. Verfahren dieser Art sind unter den Be- zeichnungen Mehrträgerverfahren, Orthogonal Frequency Multiplex (OFDM) und Diskretes Mehr- tonverfahren (DMT) bekanntgeworden.
Dabei ist ein vorgegebenes breites Frequenzband in sehr viele schmale Subkanäle unterteilt, über die die Daten übertragen werden. Zu diesem Zweck werden die Daten in einem Sender zu Informationsblöcken gleicher Länge zusammengefasst und durch eine Inverse-Fast-Fourier-Trans- formation (IFFT) moduliert, die eine Filterung der Subkanäle mit frequenzverschobenen Versionen eines Prototypfilters bewirkt. Der dabei entstehende Sendeblock wird vom Sender seriell auf die Übertragungsleitung ausgegeben. Infolge des endlichen Gedächtnisses des dispersiven Übertra- gungskanals kommt es auf der Empfangsseite im allgemeinen zu einer Interferenz zwischen auf- einanderfolgenden Blöcken. Um eine Überlappung auf Empfängerseite zu vermeiden, kann - wie vorstehend bereits erläutert - senderseitig zwischen den einzelnen Blöcken ein Guard-Intervall eingefügt werden.
Die Demodulation der Daten erfolgt im Empfänger durch eine Fast-Fourier-Transformation (FFT), wobei die Eingangsabtastwerte blockweise in Spektralwerte transformiert werden. Die Ent- zerrung kann bei Anwendung der FFT im Empfänger wesentlich vereinfacht werden, wenn im Guard-Intervall ein zyklisches Prefix mitübertragen wird, das aus einer Anzahl von wiederholten Daten jedes Blocks besteht, die zeitlich vor dem Block innerhalb des Guard-Intervalls übertragen werden. Die Transformationslänge L der FFT ist dabei gleich der Länge M der gesendeten Daten- blöcke. Um eine wirksame Entzerrung zu erhalten, muss das Guardintervall bzw. das zyklische Prefix grösser oder gleich der Gedächtnislänge des Kanals sein.
Bei dem in der US 5 610 908 A geoffenbarten Mehrträgerverfahren werden in einem breiten Frequenzband eng beabstandete und mit Daten modulierte Trägerfrequenzen gesendet und emp- fangen. Vor Anwendung einer FFT-Transformation werden die Träger mittels QPSK-Modulation moduliert, wobei über kurze Zeiträume relativ hohe Spannungsspitzen auftreten können, wenn die Träger gerade gleiche Phasenlage aufweisen. Um das Verhältnis dieser auftretenden Spitzenleis- tungen zur mittleren Leistung möglichst gering zu halten, wird zumindest eine zusätzliche FFT- und IFFT-Operation durchgeführt. Zwischen den ausgesendeten Datenwörtern wird jeweils ein Guard- Intervall eingeschoben, in welchem ein Teil der Daten jedes Datenwortes nochmals übertragen wird.
Solange die Verzögerung des Datenkanals die Länge des Guard-Intervalls nicht übersteigt, kann daher mit Hilfe der Fourier-Transformation immer der gesamte Dateninhalt richtig empfangen werden, auch wenn das empfangene Signal durch die Übertragung verzögert worden ist. Bei diesem Verfahren werden somit Daten im Guard-Intervall übertragen werden, die eine teilweise Wiederholung der in den Datenblöcken übertragenen Information darstellen und für welche Sende- leistung zur Verfügung gestellt werden muss.
Nicht viel anders verhält es sich bei der OFDM-Übertragung, welche in der EP 719 004 A gezeigt ist. Die wiederholten Daten werden bei dem in dieser Druckschrift gezeigten Verfahren am Anfang und am Ende jedes Datenblocks mit übertragen, sodass das Guard-Intervall nicht signalfrei ist.
Der Vorteil der relativ einfachen Entzerrung, der sich bei Übertragung eines Guard-Intervalls ergibt, bringt jedoch den Nachteil der im Prefix-Signal ohne Informationsgewinn übertragenen Daten mit sich, die einen Teil der zur Verfügung stehenden Sendeleistung für sich beanspruchen
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit
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dem eine empfängerseitige Entzerrung des übertragenen Sendesignals ohne Übertragung von nicht verwertbarer Information und damit eine Erhöhung der für die Datenübertragung verfügbaren Sendeleistung ermöglicht wird.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Guard-Intervall signalfrei bzw. ohne Pre- fix übertragen wird, und dass die Demodulation im Empfänger mittels Fourier-Transformation (FFT) mit einer Länge L erfolgt, die grösser oder gleich der Summe der Informationsblocklänge M und der
Länge P des Guard-Intervalls ist.
Der Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass im Guard-Intervall kein Sig- nal bzw. keine Leistung gesendet werden muss, wodurch die mittlere Sendeleistung reduziert wird, zugleich aber die Entzerrung des übertragenen Signals mit relativ geringem Aufwand durchgeführt werden kann. Daher kann bei Annahme einer vorgegebenen Leistungsdichte innerhalb eines Über- tragungskanals die Sendeleistung für die Informationsblöcke erhöht werden. Alternativ dazu kann gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen sein, dass im Guard-Intervall ein Nutz- signal, z. B. Pilottöne, übertragen wird, was für die Taktrückgewinnung von Vorteil ist.
In vorteilhafter Weise kann die Demodulation gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch erfolgen, dass der jeweils im Empfänger zu transformierende, die Länge M+P aufweisende Informationsblock durch Anhängen von Nullen auf die Transformationslänge L verlängert wird.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Transformationslänge L der Fast-Fourier-Transformation (FFT) gleich der doppelten Informationsblocklänge 2#M ist. Für diesen Fall ist die an den geradzahligen Indizes ausgewertete FFT gleich der FFT mit Transfor- mationslänge M, wodurch eine sehr effiziente Implementierung möglich ist.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Guard- intervall jeweils vor oder nach einem Informationsblock gesendet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbei- spiels eingehend erläutert. Es zeigt dabei
Fig.1ein Sendesignal bei Verwendung eines zyklischen Prefixes gemäss Stand der Technik;
Fig. 2 Zerlegung eines, durch das Sendesignal gemäss Fig. 1 hervorgerufenen Empfangssignals in Blöcke der Länge M;
Fig.3ein prefix-freies Sendesignal gemäss einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Ver- fahrens ;
Fig. 4 Zerlegung eines, durch das Sendesignal gemäss Fig. 3 hervorgerufenen Empfangssignals in Blöcke der Länge M+P und Fig.5 Demodulation des Empfangssignals gemäss Fig. 4 durch eine FFT der Länge 2M.
Die für das Verständnis der Erfindung wichtigen termini technici werden nachfolgend anhand der beigeschlossenen Zeichnungen kurz erläutert. Es zeigt dabei
Fig. 6 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines digitalen Übertragungssystems;
Fig. 7 eine zeitkontinuierliche Impulsantwort h (t) der Länge #;
Fig. 8 Abtastung der zeitkontinuierlichen Impulsantwort h (t) # hd[n];
Fig.9 die blockweise Übertragung von Daten ohne Guardintervall oder zyklischem Prefix (Blocklänge 8);
Fig. 10 die blockweise Übertragung von Daten mit Guardintervall (GI) (Blocklänge 8, Guardin- tervall-Länge 3) und
Fig. 11die blockweise Übertragung von Daten mit zyklischem Prefix ZP (Blocklänge 8, Prefix- länge 3);
EMI2.1
Das Blockschaltbild eines digitalen Übertragungssystems bestehend aus einer Sendesymbol- Eingabe, einem Sendefilter, einem Übertragungskanal, einem Empfangsfilter, einer Abtastungs- und einer Entscheidungseinheit lässt sich stark vereinfacht wie in Fig. 6 angeben. Das zeitkontinuier- liche Sendefilter, der Übertragungskanal, sowie das zeitkontinuierliche Empfangsfilter können zu einem Block zusammengefasst und durch die Impulsantwort h (t) beschrieben werden. In Fig. 7, 8 ist eine solche Impulsantwort graphisch dargestellt. Die angegebene Impulsantwort besitzt die Länge von #.
In den meisten Übertragungssystemen erfolgt die Verarbeitung der empfangenen Daten digital, das Empfangssignal wird mit einer Abtastperiode T abgetastet, hd[n] = h (nT). zeigt hd [n] die in Fig.7 dargestellte Impulsantwort h(t). hd[n] besitzt L+1 Abtastwerte ungleich Null, die Länge
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des Kanals beträgt L+1. Als Gedächtnis des Kanals werden die Abtastwerte 1 bis L bezeichnet, die maximale Gedächtnislänge ist L.
Zyklisches Prefix
In vielen Übertragungssystemen werden die zu übertragenden Daten in Blöcke zusammengefasst. In Fig.9 sind jeweils acht Abtastwerte zu einem Block vereinigt. Zwischen den einzelnen Blöcken wird kein Guardintervall oder zyklisches Prefix eingefügt. Werden die Daten über einen Kanal mit maximaler Gedächtnislänge L übertragen, so kommt es im Empfänger zu einer Überlappung hintereinanderfolgender Blöcke. Um diesen Effekt zu vermeiden, muss zwischen den Blöcken ein Guardintervall der Länge L eingefügt werden. Fig.10 zeigt den Symbolstrom aus Fig. 9 bei Verwendung eines Guardintervalls der Länge 3. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, anstelle eines Guardintervalls ein zyklisches Prefix zu übertragen.
Hier werden anstelle von L Nullen die letzten L Abtastwerte eines Blockes vor diesem Block eingefügt, wie aus Fig.11 zu ersehen ist.
Bei der Übertragung von Daten durch ein Mehrträgerverfahren, z. B. DMT (Discrete Multitone), werden die zu übertragenden Daten in einem Sender zu nachfolgend dargestellten Blöcken mit gleicher Anzahl M an Informationssymbolen zusammengefasst.
O. B lock Ao=[Ao A, AM-1]T
1.Block AM=[AM AM+, A2M-1]T
EMI3.1
Die so zusammengefassten Daten werden durch eine M-Punkte Inverse-Fast-Fourier-Transfor- mation (IFFT) moduliert und übertragen. Der Sendeblock lautet
EMI3.2
und wird seriell am Sender-Ausgang ausgegeben. Infolge des Gedächtnisses des Übertra- gungskanals kommt es auf der Empfangsseite im allgemeinen zu einer Interferenz zwischen auf- einanderfolgenden Blöcken.
Um dies zu vermeiden, wird gemäss dem Stand der Technik zwischen den einzelnen Blöcken ein Guard-Intervall mit einem zyklischen Prefix eingefügt, wobei am Anfang jedes Blocks die letzten P Daten dieses Blocks noch einmal übertragen werden, jeder Block wird also zyklisch fortgesetzt Erfolgt die Demodulation der Daten im Empfänger durch eine Fast- Founer-Transformation (FFT), kann bei Verwendung eines zyklischen Prefixes die Entzerrung im Empfänger wesentlich vereinfacht werden. Das Sendesignal besitzt dann folgende Form : s = [aM-p aM-P+1 ... aM-1 ao a1 ... am-,] [a2M-p a2M-P+1 ... a2M-1 aM aM+1 ... a2M-1] (1) [...
EMI3.3
Die Notation a0T < M-1M-P > bedeutet die Elemente M-P bis M-1 des Vektors ao.
In Fig 1 wird das Sendesignal bei Verwendung eines zyklischen Prefixes graphisch dargestellt
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Das Empfangssignal yn ist die Faltung aus Sendesignal und Kanal
EMI4.1
k=0 hk ist der Kanal und besitzt P+1 Koeffizienten. Der Empfänger spaltet die Eingangssequenz in Blöcke der Länge M+P auf und verwirft von jedem Block die ersten P Werte, siehe Fig. 2.
EMI4.2
YM+2P - [YM+2P YM+2P+1 ... Y2M+2P-1]
EMI4.3
Der m-te Block besitzt einen Indizesbereich von n=m(M+P)+P,m(M+P)+P+1,...,(m+1)(M+P)-1. Auf jeden dieser Blöcke wird nun eine Fast Fourier Transformation (FFT) der Länge M angewendet.
Für den Block m ergibt sich
EMI4.4
n=0 M-1 P -j2#/@nl
EMI4.5
n=0 k=0
EMI4.6
k=0 n=-k
EMI4.7
Produkt der FFT von hk und eines weiteren Muftiplikanten zerlegen lässt.
Dass sich GI. (8) tatsächlich multiplikativ zerlegen lässt, ist nicht direkt ablesbar, denn in der zweiten Summe von Gl. (8) kommt ebenfalls der Summationindex k der ersten Summe vor. Kann gezeigt werden, dass der Wert der zweiten Summe trotzdem unabhängig von k ist, ist Gl. (8) fakto- risierbar. Betrachtet man den Ausdruck -k+M-1 -j2#/@nl
EMI4.8
n=-k
EMI4.9
Berücksichtigt man, dass der Wertebereich für k auf 0,1,...,P limitiert ist, ist aus Gl. (1) ersichtlich, dass die Summationsgrenzen immer im m-ten Block bleiben. Dadurch, dass der m-te Sendeblock
EMI4.10
amM+M-1 summiert.
In Gl. (9) gilt also, dass S,(k) unabhängig von k ist, SI(k) = Si. Dieser Sachverhalt soll nun anhand eines einfachen Beispiels deutlich gemacht werden.
Beispiel:
M=3
P=2 m=0 s = [a1 a2 ao a1 a2]
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EMI5.1
-j2#/@nl j2#/@ (M-n)l
EMI5.2
Gl (9) ist also die FFT des Blocks amM, welcher seinerseits die IFFT des Datenblocks AmM ist.
(9) ist also nichts anderes als das Datum AmM+I.
Setzt man dieses Ergebnis in Gl. (8) ein, erhält man
EMI5.3
k=0 Wie bereits erwähnt wurde, stellt die verbleibende Summe die FFT der Lange M des Kanals dar, P -j2#/@kl
EMI5.4
k=0
EMI5.5
das ist das Spektrum des Kanals hk ausgewertet bei der Frequenz I2#/M In diesem Fall ist eine
M Entzerrung besonders einfach möglich, jeder Empfangswert Y, muss nur mit dem Kehrwert von H@ multipliziert werden.
Die Transformationslänge L der FFT ist ident mit der Länge der Datenblöcke M während die Länge P des Guard-Intervalls bzw. des zyklischen Prefixes grösser oder gleich der Gedächtnislänge des Übertragungskanals ist.
Um das zyklische Prefix des Sendesignals einzusparen, ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass das Guard-Intervall signalfrei bzw. ohne Prefix übertragen wird, wobei die Demodulation mittels Fourier-Transformation (FFT) mit einer Länge L erfolgt, die grösser oder gleich der Summe der Informationsblocklänge M und der Länge P des Guard-Intervalls ist. Das Guard-Intervall kann da-
EMI5.6
Zunächst werden wie beim bekannten Übertragungsverfahren die zu sendenden Daten Ak, k=0,1,2,. .. in Blöcke AmM der Länge M zusammengefasst. Die Modulation erfolgt ebenfalls mittels einer M-Punkte IFFT, amM = IFFTM{AmM}. Statt in bekannter Weise die letzten P Werte jedes gesen- deten Blockes zyklisch zu wiederholen, werden jetzt leere Guard-Intervalle der Länge P eingefügt, d. h. in diesen Zeiträumen werden Nullen übertragen.
Das Sendesignal lautet in diesem Fall
EMI5.7
Op ist der Nullvektor der Länge P. Fig. 3 zeigt das auf diese Weise gebildete Sendesignal. Ist das Guard-Intervall P Symbole lang und werden im Sender je M Informations symbole geblockt, so werden die ankommenden Daten yn im Empfänger zunächst zu Blöcken der Länge M+P zusammengefasst, wie es in Fig. 4 gezeigt ist.
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EMI6.1
Die Entzerrung des dispersiven Übertragungskanals erfolgt wie im bekannten Übertragungs- verfahren im Frequenzbereich. Nach der Demodulation werden die L Elemente des Vektors YL durch Abtastwerte des Spektrums des Kanals dividiert. Der daraus resultierende Vektor XL ist die L-Punkte FFT des aktuell gesendeten Datenblocks x = [amM amM+1 ... amM+M-1]T XL=FFTL{x}.
Weil im Sender die Modulation mit einer M-Punkte IFFT erfolgt, x=IFFTM{AmM}, ist die M-Punkte FFT des aktuellen Sendeblocks x gleich den gesendeten Daten AmM. Aus XL muss also die M-Punkte FFT XM = FFTM{x} = AmM berechnet werden.
Die Berechnung des Vektors XM aus XL ist eindeutig möglich, die Wahl von L bestimmt aber die Komplexität.
Ist die Gedächtnislänge des Kanals kleiner oder gleich M (P # M), so ist es sinnvoll, die Transformationslänge L der Fourier-Transformation (FFT) gleich der doppelten Informationsblock- länge 2-M zu wählen (L=2M), wie dies in Fig.5 dargestellt ist. Weil die FFT der Transformations- länge 2M nur an den geradzahligen Indizes ausgewertet werden muss, ist eine sehr effiziente Imp- lementierung möglich. Der zu transformierende Block, weicher ja nur
M+P lang ist, wird durch Anhängen von M-P Nullen auf 2M verlängert.
Für den Block m erhält man
EMI6.2
n=0 M+P-1 P -j2#/@nl
EMI6.3
n=0 k=0 P -k+M+P-1 -j2#/2M(n'+k)l @ -j# (n'+k)l
EMI6.4
k=0 n'=-k
P -j2#/@kl -k+M+P-1 -j2#/@nl
EMI6.5
k=0 n=-k Je nach dem Wert von k beginnt die Summation über n für k=0 bei n=0 bis zu n=-P bei k=P, also
EMI6.6
immer ident Null. Die Summation kann daher unabhängig von k immer bei n=0 begonnen werden.
Die obere Summationsgrenze kann in Abhängigkeit von k die Werte M-1 bis M+P-1 annehmen,
EMI6.7
aber wieder in ein Guardinterval und sind daher wieder ident Null. Als obere Summationsgrenze
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kann daher immer M-1 geschrieben werden.
Einsetzten dieser Summationsgrenzen in GI. (18) liefert
EMI7.1
wobei hk = 0 für k > P und Sm(M+p)+n = 0 für n # M gilt. h ist die Impulsantwort des Kanals, hT= [ho h1 .. hp]. Der Vektor amM ist die IFFT der Länge M des zu übertragenden Datenblocks AmM, es gilt also
EMI7.2
M/k=0 n=0 Auswerten des obenstehenden Ausdrucks für geradzahliges I = 2r liefert 1 M-1 M-1 j2#/@k(2n-2r)
EMI7.3
=1/M # # AmM+nej2#/Mk(n-r) < 26)
M/k=0 n=0
EMI7.4
=@/M#AmM+n # e (26) "" n=0 k=0 =1/M#AmM+nM#nr (27) @n=0
EMI7.5
Die 2M FFT von Ym(M+p) ausgewertet an der Stelle 2r ist also das r-te Symbol des m-ten Blockes, AmM+r,
multipliziert mit dem Spektrum des Kanals h bei der Frequenz 2#/2r Es kann dieselbe
2M Methode zur Entzerrung wie bei Verwendung eines zyklischen Prefixes angewendet werden.
Weil in GI. (29) nur die geradzahligen Indizes von Interesse sind, kann die FFT der Länge 2M in Gl. (14) leicht auf eine FFT der Länge M zurückgeführt werden. Der Block, auf welchen die FFT der Länge 2M angewendet wird, besitzt eine Länge von M+P, er wird mit Nullen auf 2 M erweitert.
2M-1 j2#/2nr
EMI7.6
n=0 n=M
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EMI8.1
n=0 n=0 M-1 j2#/Mnr
EMI8.2
Wie aus Gl. (34) zu sehen ist, können die geradzahligen Indizes einer 2M FFT durch eine FFT der Länge M berechnet werden Der einzig zusätzlich entstehende Aufwand besteht in der Addition der beiden Blöcke Wird berücksichtigt, dass der zweite Block nur P von Null verschiedene Elemente enthält, sind P zusätzliche Additionen notwendig.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Übertragung von Daten durch ein Mehrträgerverfahren, z. B. DMT (Discrete
Multitone) in einem Übertragungskanal, bei dem die Daten in einem Sender zu Blöcken mit gleicher Anzahl an Informationssymbolen M zusammengefasst, durch eine Inverse-Fast-
Fourier-Transformation (IFFT) moduliert und übertragen werden, und in einem Empfänger durch Fast-Fourier-Transformation (FFT) demoduliert werden, wobei senderseitig zwi- schen den Blöcken jeweils ein Guard-Intervall für die empfängerseitige Entzerrung einge- fügt und mitübertragen wird, welches Guard-Intervall eine Länge P aufweist, die grösser oder gleich der Gedächtnislänge des Übertragungskanals ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Guard-Intervall signalfrei bzw.
ohne Prefix übertragen wird, und dass die Demodu- lation im Empfänger mittels Fast-Fourier-Transformation (FFT) mit einer Länge L erfolgt, die grösser oder gleich der Summe der Informationsblocklänge M und der Länge P des
Guard-Intervalls ist.