CN1461443A

CN1461443A - 变换计算设备

Info

Publication number: CN1461443A
Application number: CN02801145A
Authority: CN
Inventors: O·盖一贝利勒; X·马查尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2003-12-10
Also published as: US7552159B2; JP2004532464A; EP1379970A1; US20040111458A1; WO2002084514A1; KR20030015273A

Abstract

本发明涉及一种离散变换的计算设备(FFTP)。该设备具有一个控制装置(CNTRL)，该装置能够根据第一处理过程中使用的变换数量而对第一和第二存储器(RAM1和RAM2)进行配置。该设备特别应用于一个能够并行管理若干个傅立叶变换的解调器。

Description

变换计算设备

本发明涉及一种用于计算离散变换的设备，它具有一个第一存储器，用于存储取样，以及一个第二存储器，用于记录中间计算结果。本发明还涉及一种适合所述设备的计算方法。

本发明找到了一种在地面信号传输期间特别用于信道解码中的特殊应用。

1999年11月4日发表于IEEE Transactions on ConsumerElectronics(IEEE消费电子期刊)第45卷第4号第1104-1107页上的文档“Efficient FFT and Equalizer Implementation for OFDMReceiver(用于OFDM接收机的有效FFT和均衡器实现)”，其中描述了一种用于计算离散变换的设备，在这里该变换是OFDM(正交频分复用)接收机中的傅立叶变换。当所述接收机收到一个信号时，它在第一存储器中以取样分组的形式对其进行接收，根据所用标准，分组大小是可以变化的。在ETS I(欧洲电信标准化协会)发布的DVB-T(地面数字视频广播)标准中使用了OFDM接收机，其中分组大小是2或8千个取样。该接收机包括一个计算设备，用于对在一个分组中接收到的取样的傅立叶变换进行计算。中间结果被记录在第二存储器中。该设备等待接收一个分组的取样集合，以便于用中间结果来终止对傅立叶变换的计算，并且重新开始计算一个新分组中的取样。

本领域的这种状况使得每次只可能计算一个傅立叶变换。

因此本发明所要解决的一个技术问题是提出一种离散变换的计算设备，它具有一个第一存储器，用于存储取样，和一个第二存储器，用于记录中间计算结果，以及相关的计算方法，这样就有可能并行计算几个离散变换。

根据本发明的第一个目的，一种解决所提出问题的解决方案，其特征在于，计算设备具有控制装置，它能够根据第一处理过程中使用的多个离散变换来配置第一和第二存储器，该变换在适用的地方具有可变大小。

根据本发明的第二个目的，该解决方案的特征在于，计算方法包括一个步骤，即根据第一处理过程中使用的多个离散变换来配置第一和第二存储器，该变换在适用的地方具有可变大小。

因此，如在下文中将会详细了解的那样，通过根据第一处理中使用的离散变换数量而把存储器划分成若干个存储区域，以便能够并行管理对若干个变换的计算。

本发明将会参考附图所示实施例的实例而被进一步描述，然而本发明并不局限于此：

图1是一个用于表示由根据本发明的计算设备实现的第一处理的方框图，

图2示意性描述了根据本发明的计算设备的结构，

图3描述了一个显示由图2计算设备执行的计算的流程图，

图4描述了一个由图2计算设备执行的计算操作，

图5是一个对根据本发明的设备所完成的第二处理进行描述的方框图，

图6a是一个对在第二处理中由图2计算设备实现的第一计算方法进行描述的方框图，

图6b是一个对在第二处理中由图2计算设备实现的第二计算方法进行描述的方框图，

图7是对图2计算设备在第二处理过程中的存储器结构进行描述的方框图。

本发明的内容涉及对在地面电视领域中使用的接收机中的离散变换进行计算的一个设备的实例，该变换在这里是傅立叶变换。

在一个信道上(未示出)进行信号传输的领域中，特别是在地面电视领域中，使用了一个发射机和一个接收机。发射机实现把数字信号转换成模拟信号的信号调制，并通过信道来发送所述信号。在信道的输出端，信号被接收机接收，该接收机实现把模拟信号转换成数字信号的信号解调。在传输的时候，一个纠错编码被执行，这样一来，随后就有可能在接收时纠正所述信道上的干扰所引入的错误。

在DVB-T标准的情况下，各种技术都被使用，例如在第一解调处理过程中，欧洲使用的是OFDM技术。这种技术使用了快速傅立叶变换计算。存在若干种快速傅立叶变换。一种直接傅立叶变换FFT和一种反向傅立叶变换IFFT。

缩略语FFT将在本说明书的剩余部分被使用，用于指明术语“直接快速傅立叶变换”，而IFFT则用于指明术语“反向快速傅立叶变换”。当然，本发明并不局限于这些类型的傅立叶变换。

在该技术中，在解调处理过程中使用了两类变换。严格地讲，直接变换FFT用于解调，反向变换IFFT特别用于与发射机在时间和频率上同步。需要注意的是，直接变换FFT对应于在发射机中执行的调制过程中所使用的变换IFFT的反向变换，那么，后一种变换IFFT是在调制中使用的唯一IFFT，例如OFDM。

图1是一个表示根据DVB-T标准而在OFDM中进行的傅立叶变换处理的方框图。

在数字信号的接收过程中，接收机以取样x_i(i≥0)的分组Pj(j＞0)的形式接收信号。对DVB-T标准的ODFM接收机来说，取样是在大小为2到8千个取样的分组Pj中被接收的。分组Pj由接收机解调。如图1所示，该解调使用了两个变换，一个FFT和一个IFFT。然而，这两个使用了FFT和IFFT的变换的计算被实现。需要注意对说明书中的术语“被使用”和“被计算”加以区别。FFT的计算在分组Pj的所有取样x_i上都被实现，而IFFT的计算在由若干个FFT计算得出的结果取样X_i上被实现，例如从4个计算中得到1个取样结果。然后，IFFT的计算在低于FFT计算的频率上被实现。

解调是通过傅立叶变换计算设备FFTP而被实现的。该计算设备FFTP在图2中被描述。它具有一个第一存储器RAM1，一个计算单元UNIT，一个第二存储器RAM2以及控制装置CNTRL。该设备还具有一个表格TC，其中包括傅立叶变换系数。优选的，第一和第二存储器RAM1和RAM2都是非易失和可重写的。

在一个启动步骤INIT中，控制装置CNTRL配置第一RAM1和第二RAM2存储器，以便于分别接收分组取样x_i和中间傅立叶变换计算结果。

这种配置是根据解调处理过程中使用的傅立叶变换数量来实现的，在适用的地方，该变换具有可变大小，在这里是2或8千个取样。在公开的实例中使用了两个变换。因此，第一和第二存储器RAM1，RAM2各被分成两个存储区域R11，R12以及R21，R22。第一存储器RAM1的第一存储区域R11保存取样x_i，一个FFT将在该取样上被计算，而它的第二存储区域R12保存结果取样，FFT将在这个结果取样上被计算。优选的，第一存储器RAM1的第一存储区域R11，其大小等于将被计算的FFT的最大尺寸，也就是说，在这里有8千个取样(下文中将会详细了解，这是在没有重叠的时候)。第二存储器RAM2的第一存储区域R21保存FFT的中间结果，而它的第二存储区域R22保存IFFT的中间结果。当然，在使用了一个单独变换的地方，这种存储区域的划分并非必需。需要指出的是，接收机中的变换大小是根据接收条件由发射机决定的。因此这个大小可以改变。举例来说，如果信道上的干扰造成不良接收，那么可以将大小从2千个取样改成8千个取样。然而，对一定的时间长度来说，变换的大小通常保持稳定。

在这个相同的启动步骤INIT中，与另一种类型的变换相比，控制装置CNTRL择优确定用于计算一种类型的传输的优先级，并且由此将其作为所用变换类型的一个函数。优选的，FFT具有高于IFFT的优先级。

需要指出的是，表格TC包括计算所用变换必需的系数W。该系数是正弦/余弦值。该变换共同具有一些系数。IFFT与相同大小的对应FFT一样需要系数。举例来说，大小为8千个取样的FFT变换使用所有系数，大小为2千个取样的FFT变换使用四分之一的系数，8千个取样的IFFT变换使用所有系数，其顺序不同于8千个取样的FFT等等。因此，在公开的实例中，系数表格TC优选包括具有最大尺寸的变换系数，也就是说，在这里有8千个取样。变换系数是已知的，系数表格TC优选包含在一个第三非易失非可重写ROM存储器(未示出)中。需要指出，在另一个实施例中，有可能仅仅使用第三个ROM存储器中第一个四分之一，并且有可能使用本领域技术人员已知的反向符号，以便于对另外四分之三进行仿真。

当然，在另一个实施例中，有可能在启动步骤中借助于控制装置CNTRL来对系数表格TC进行配置。在这种情况下，表格将被包含在第三个非易失可重写EEPROM存储器中。

一个FFT是根据一个流程图来计算的。一个流程图中包括系数W_N ⁿ，N≥2，n≥0。最终结果X_i是根据取样x_i和系数W_N ⁿ而被计算的。所述系数W_N ⁿ是由系数表格TC给出的。对一个IFFT的计算是以相同原理为基础的。

为了完成所述计算，各种本领域技术人员已知的算法都可以被使用，例如Cooley-Tukey算法，也叫做缩减基-2(reduction to base2)或基数-2(radix 2)算法。这个算法需要多个取样x_i，这些取样是2的幂。根据该算法，算法基数、分组大小以及层C的概念被定义。举例来说，对一个大小为8千个取样、基数为2的分组来说，将会给出8192＝2¹³，这就产生了13个基数2个层。对一个基数4来说，存在6个基数4个层以及1个基数2个层。图3描述了根据Cooley-Tukey算法来为8个取样x₀到x₇进行FFT计算的第一实施例的流程图。

层C对应于所述方框图中的一列。这就给出了以下等式(1)

X0＝x₀+x₄W₂ ⁰+W₄ ⁰(x₂+x₆W₂ ⁰)+W₈ ⁰(x₁+x₅W₂ ⁰+W₄ ⁰(x₃+x₇W₂ ⁰)]，

X1＝x₀-x₄W₂ ⁰+W₄ ¹(x₂-x₆W₂ ⁰)+W₈ ¹[x₁-x₅W₂ ⁰+W₄ ¹(x₃-x₇W₂ ⁰)]，

X2＝x₀+x₄W₂ ⁰-W₄ ⁰(x₂+x₆W₂ ⁰)+W₈ ²[x₁+x₅W₂ ⁰-W₄ ⁰(x₃+x₇W₂ ⁰)]，

X3＝x₀-x₄W₂ ⁰-W₄ ¹(x₂-x₆W₂ ⁰)+W₈ ³[x₁-x₅W₂ ⁰-W₄ ¹(x₃-x₇W₂ ⁰)]，

X4＝x₀+x₄W₂ ⁰+W₄ ⁰(x₂+x₆W₂ ⁰)-W₈ ⁰[x₁+x₅W₂ ⁰+W₄ ⁰(x₃+x₇W₂ ⁰)]，

X5＝x₀-x₄W₂ ⁰+W₄ ¹(x₂-x₆W₂ ⁰)-W₈ ¹[x₁-x₅W₂ ⁰+W₄ ¹(x₃-x₇W₂ ⁰)]，

X6＝x₀+x₄W₂ ⁰-W₄ ⁰(x₂+x₆W₂ ⁰)-W₈ ²[x₁+x₅W₂ ⁰-W₄ ⁰(x₃+x₇W₂ ⁰)]，

X7＝x₀-x₄W₂ ⁰-W₄ ¹(x₂-x₆W₂ ⁰)-W₈ ³[x₁-x₅W₂ ⁰-W₄ ¹(x₃-x₇W₂ ⁰)]。

如图4所示，等式(1)被分成所谓的“蝶式(butterfly)”运算。第一层C1包括仅仅使用系数W₂ ⁰以及被接收取样x₀到x₇的“蝶式”运算。当然，根据基数和计算单元UNIT中使用的算法以及处理器数量，等式(1)可以变化，由此层的组成也可以变化。

当计算设备FFTP接收到取样x_i的分组Pj时，它会计算一个FFT和一个IFFT。该取样在频率F_x上被接收。取样x_i的处理按照以下方式进行。

在第一个步骤A)中，根据图2实例，计算设备FFT接收来自第一分组P1(未示出)的取样x₀，x₁，x₂，x₃，……，x_i。控制装置CNTRL在接收每个取样x_i的同时还接收一个分组标识信号S_IDP_i。所述信号指示的是被取样所附属的分组Pj以及所述分组的大小。这个大小也叫做FFT长度，它在每个分组Pj上被计算。在这个实例中，分组P1具有8千个取样的尺寸。

需要指出的是，每当接收取样的时候，控制装置CNTRL都会根据被使用和被计算的变换来确定第一存储器RAM1的地址，在该地址中保存着所述被接收的取样。如果一个FFT被计算，那么地址将被从第一存储区域R11中取出，否则将被从第二存储区域R12中取出。取样x_i被保存在所述存储器地址中。同样的步骤也应用于第二存储器RAM2的地址，其中存有中间结果。

需要指出，在开始计算一个FFT之前，控制装置CNTRL将会一直等待，直到在开始FFT的计算之前，计算设备FFT接收到分组Pj的所有取样。同样，控制装置CNTRL等待，直到计算设备FFTP在开始一个IFFT计算之前接收到该IFFT计算所需要的所有结果取样，而不管算法使用的基数是什么。在第二步骤B)中，当计算设备FFTP接收并保存了计算一个变换所必需的所有取样时，所述设备的计算单元UNIT执行所述计算。需要注意的是，最初被实现的第一计算是一个FFT计算。

计算单元UNIT基于时钟频率Fclk并具有若干个处理器PROC。根据它所被希望为计算设备FFTP获取的性能，恰当数量的处理器PROC将被选择。举例来说，根据第一非限定性实施例，计算单元UNIT具有一个单独的处理器PROC，以便于只对存储器进行管理。根据第二实施例，如果希望计算速度更快，和/或减缓时钟频率Fclk和/或具有更强的计算能力，那么计算单元UNIT将具有两个处理器PROC。这是因为所述计算将被分布到这两个处理器上。时钟频率Fclk通常大于取样频率F_x。在单个处理器PROC的情况下，如果Fx＝9.14MHz，假定有两个处理器，那么每个处理器的Fclk＝30MHz，假如只有一个处理器PROC，那么Fclk＝60MHz。对一个大小为8千个取样的FFT以及一个基数为2的算法来说，将为每层执行4096个“蝶式”运算，这就为13层执行了4096*13个“蝶式”运算。因此在每个取样上执行了6.5个“蝶式”运算，这就使6.5*9.14＝59.41兆个蝶式/秒的速率被执行，用于计算一个FFT变换。

根据图3实例，一个FFT计算是使用下述方式而被实现的。第二实施例可以被视为一个实例，也就是说，存在两个处理器PROC。在第一个时钟脉冲Fclk，计算单元UNIT使用第一系数W₂ ⁰和取样对(x₀，x₄)与(x₁，x₅)来计算第一层C1的前两个“蝶式”运算。在“蝶式”运算过程中得到的4个中间结果被保存在第二存储器RAM2的第一存储区域R21中。

在第二个时钟脉冲Fclk，计算单元UNIT使用第一系数W₂ ⁰以及取样对(x₂，x₆)和(x₃，x₇)来计算第一层C1接下来的两个“蝶式”运算。在“蝶式”运算过程中得到的4个中间结果被保存在第二存储器RAM2的第一存储区域R21中。

在第三个时钟脉冲Fclk，计算单元UNIT使用两个系数W₄ ⁰和W₄ ¹以及第二存储器RAM2中先前的中间结果来计算第一层C2的前两个“蝶式”运算，以此类推一直到分组P1的所有取样x_i结束。最终结果X0到X7被得到。其中一些最终结果被发送到第一存储器RAM1的第二存储区域R12，以便于计算一个IFFT。

当然，控制装置CNTRL根据傅立叶变换的大小和类型而在系数表格TC中为每个“蝶式”运算提供恰当系数W_N ⁿ的地址。

在第三步骤C)中，在计算了一个FFT之后，计算单元UNIT使用保存在第一存储器RAM1的第二存储区域R12中的取样来计算一个IFFT，也就是使用从若干个FFT计算中得到的最终结果。与那些为一个FFT执行的计算相同类型的计算被执行。

然而，并行于这些计算，计算设备FFTF还接收不同分组Pj的取样x_i。现在，与一个IFFT计算相比，一个FFT计算更为优先。因此，当所述计算设备FFTP接收到分组Pj的所有取样x_i，以便于实现第二FFT计算时，控制装置CNTRL将会等待，直到单元UNIT结束“蝶式”运算，该运算处于在执行当前IFFT的过程中，然后它保存涉及对当前IFFT的所述当前计算的上下文CTXT，以便于以高于IFFT的所述计算的优先级实现第二FFT计算。上下文CTXT优选包含被计算的“蝶式”运算所归属的层的数量以及被计算的“蝶式”运算的数量，或者包含随后将被计算的“蝶式”运算的数量。控制装置CNTRL还保存取样x_i的地址和进行上下文CTXT的“蝶式”运算所必需的系数W_N ⁿ的地址，以及分别位于第二存储器RAM2和系数表格TC中的地址。随后根据第二步骤B)，一个完整的FFT计算被实现，其优先级高于IFFT计算。在所述计算结束时，IFFT的计算恢复。

应该注意的是，如果计算设备FFTP未曾收到另一个FFT计算所必需的取样x_i，那么在等待的同时，当它具备了所述计算必需的所有取样时，计算单元可以实现IFFT的计算。因此，根据上述内容，一个IFFT计算只在不可能进行FFT计算的时候才会发生。

在最后的步骤D)，计算设备FFTP把计算得到的结果取样X_i发送到均衡器单元，用于补偿信道中的任何缺陷，随后该取样被发送到使用维特比、里德-所罗门等算法的纠错单元，对本领域技术人员来说，这种单元是已知的。在这些单元通路的末端存在一个信号，该信号被一个源解码器(用于视频的是MPEG类型)所使用，并被发送到例如一台电视。需要注意的是，就如先前了解的那样，在这些发送的同时，结果取样X_i也被发送到第一存储器RAM1的第二存储区域R12，以便于进行IFFT计算。

根据一个派生的实施例，该设备还具有复用装置(未示出)，用于互换第一和第二存储器RAM1和RAM2的任务，第一存储器RAM1变成了包含中间结果的存储器，第二存储器变成了包含用于计算新操作的输入取样的存储器。这个系统(通常在英语中被叫做“交换存储器”)能够节省存储空间，这一点对本领域技术人员来说是已知的。

因此，根据本发明的设备具有第一优点，它能够在需要不同大小的地方并行实现若干个傅立叶变换的计算。术语“并行”意味着取样和结果取样是在不同存储区域中被并行接收的，而交换是从一种变换的计算进行到另一种计算，而不需要等到整个计算结束。

第二个优点是在不浪费任何使用所用一个或多个处理器的时间的情况下，对计算进行管理。

第三个优点是在信道解码过程中用于所述变换的计算的装置的减少。这是因为，在本发明的设备环境中，为了并行影响几个计算，使用了一个单独的计算单元UNIT，一个单独的控制CNTRL，以及一个单独的取样接收存储器RAM1。在前述现有技术的状况中，如果想要并行完成几个计算，必须具有若干个计算装置，若干控制器以及若干存储器。这样一来，由此公开的本发明节省了所使用的硅表面。

当然，本发明的范围决不局限于被描述的实施例，而是扩展到例如另一个实施例，其中使用了其它算法。

同样，本发明可以应用于与那些基于OFDM技术的解调器不同的解调器。例如，在频域中，本发明可应用在美国使用的VSB(“残留边带调制”)技术。

当在频域中被使用时，这种VSB技术也使用傅立叶变换。它使用它们中的三个，如图5所示：两个FFT(FFT1和FFT2)和一个IFFT。

在收到信号时，接收机以取样x的形式接收一个数字信号。它在1或2千个取样中对它们进行接收。变换是根据一个取样分组而被计算的。对每个取样来说，若干的运算被执行，这些运算也使用了一定数量的邻近取样。因此，对位于被接收的取样分组边缘的取样来说，在运算的执行过程中存在所谓的“边缘效应”问题。为了减少这个缺点，使用了一种重叠技术。如图6a和6b所示，在连续接收的两个取样分组之间通常有一半的取样分组重叠或有四分之一的取样分组重叠。换句话说，分组中一半或四分之一的取样被用于计算这个分组的变换并被用于计算接下来的分组的变换。所用变换(FFT1，FFT2和IFFT)是相互独立的，也就是说，重叠只发生在对FFT1变换的计算上，或是FFT2变换的计算上，或者是IFFT变换的计算上。

为此目的，如在图7中通过实例所示，计算设备FFTP在第一存储器RAM1中具有三个存储区域R11，R12和R13，在第二存储器RAM2中具有三个存储区域R21，R22和R23。一方面，第一存储器RAM1的第一存储区域R11保存接收到的取样(x1a，x1r，x1b)，对于计算所用第一FFT1的两个变换(FFT1a和FFT1b)来说，这些取样是必需的，另一方面，第一存储器RAM1的第二存储区域R12保存接收到的结果取样(X2a，X2r，X2b)，对于计算所用FFT2的两个变换(FFT2a和FFT2b)来说，这些结果取样是必需的，最后，第一存储器RAM1的第三存储区域R13保存接收到的结果取样(X11，X1r，X12)，对于计算所用FFT的两个变换(IFFTa和IFFTb)来说，它们是必需的。因此，就一半重叠而言，FFT1的第一计算，即FFT1a，使用了取样x1r和x1b。FFT1的第二计算，也就是FFT1b，使用了取样x1r和x1b。第一计算FFT1a的另外一半取样，也就是x1r，被用于第二计算FFT1b。第二计算FFT1b的另外一半取样，也就是x1b，被用于FFT1的第三计算，也就是FFT1c(来示出)，以此类推。

对于这些存储器中的每一个来说，不存在重叠取样xr的重复。这就具备了减少所用存储器的优点。如果取样是在2千个取样的分组中被接收的，那么第一、第二以及第三存储区域R11，R12，R13将有3千个取样用于一个1/2的重叠，而不是4千个取样。此外，这还避免了对具有2千个用于所用每个FFT的取样的两个存储区域进行管理。基于与先前所了解的标识信号S_IDP相同的原理，控制装置CNTRL能够根据所用变换大小和所用重叠来了解哪些是取样，哪些是重叠取样。这个原理对本领域技术人员来说是已知的，因此在这里不再公开。需要注意的是，在VSB情况下，相对其他变换更具优先级的变换是处在计算过程中的那一个，不然就是首先接收到进行所述计算所必需的取样中的那一个。

当然，本发明决不局限于傅立叶变换，而是可以扩展到其他离散变换，例如视频处理应用中使用的离散余弦变换DCT。

当然，本发明决不局限于地面电视领域，而是可以扩展到其他领域，特别是所有那些使用了一个采用离散变换的系统的领域。

当然，词“包含”并不排除权利要求中所列举的其他元件和步骤的存在。元件和步骤之前的词“一个”并不排除包括多个这种元件或步骤的存在。

Claims

1.一种用于计算离散变换的设备，它具有一个第一存储器(RAM1)，用于保存取样(x_i)，以及一个第二存储器(RAM2)，用于记录中间计算结果，其特征在于它具有一个控制装置(CNTRL)，该装置能够将第一和第二存储器配置成在第一处理中使用的多个离散变换的一个函数，该变换在适用的地方具有可变大小。

2.根据权利要求1所述的计算设备(FFTP)，其特征在于控制装置(CNTRL)能够确定用于一种类型的变换相对于另一种类型变换的计算的优先级。

3.根据权利要求1所述的计算设备(FFTP)，其特征在于第一处理是一个解调处理。

4.一种离散变换的计算方法，该方法能够将取样(x_i)保存在第一存储器RAM1中，并将中间计算结果记录在第二存储器(RAM2)中，其特征在于它包括将第一存储器(RAM1)和第二存储器(RAM2)配置成在第一处理中使用的多个离散变换的一个函数的步骤，该变换在适用的地方具有可变大小。

5.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于它包括一个确定一种类型的变换相对于另一种类型变换的计算优先级的补充步骤。

6.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于第一处理是一个解调处理。

7.一种接收机，包括一个如权利要求1到3的任何一个所述的计算离散变换的设备(FFTP)，该接收机能够接收一个模拟信号并在所述信号上借助所述计算设备(FFTP)来完成一个第一处理。