CZ295650B6

CZ295650B6 - Způsob korekce kmitočtu u způsobu přenosu s několika nosnými kmitočty

Info

Publication number: CZ295650B6
Application number: CZ19962045A
Authority: CZ
Inventors: Michael Bolle
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 1994-11-23
Filing date: 1995-11-08
Publication date: 2005-09-14
Also published as: AU3801195A; DE4441566A1; EP0740869A1; US5940406A; CZ204596A3; DE59510923D1; HUT74334A; CN1096767C; WO1996016493A1; HU9601998D0; AU690361B2; KR100355137B1; EP0740869B1; BR9506541A; TW277187B; HU216851B; JP3399541B2; JPH09508254A; CN1139502A

Abstract

Způsob je určen pro korekci kmitočtu u způsobu přenosu s několika nosnými kmitočty. Signál z několika nosných kmitočtů se podrobí filtrování v pásmové propusti (9) a následně se sloučením s předem daným kmitočtem posune do jedné oblasti pásmové propusti (9). Potom se provede digitální Fourierova transformace a takto transformovaný signál se podrobí dekódování kanálu. Ze signálu transformovaného Fourierovou transformací se zjistí kmitočtová odchylka (.DELTA.f) mezi nosným signálem a kmitočtem, který se použije pro slučování kmitočtů. Ze zjištěné kmitočtové odchylky (.DELTA.f) se vypočítají součinitele (W.sub.N.n.) natočení pro modifikovanou Fourierovu transformaci, takže modifikovanou Fourierovou transformací je vyrovnatelná kmitočtová odchylka (.DELTA.f) mezi nosným signálem a kmitočtem, který se použije pro slučování kmitočtů. Přijmutý signál se tedy pomocí předem daného kmitočtu posune do základního pásma a potom se podrobí modifikované Fourierově transformaci. Ze signálu transformovaného Fourierovou transformací se zjistí měřená veličina, která je přímo úměrná kmitočtové odchylce (.DELTA.f) mezi předem daným kmitočtem a kmitočtem nosného signálu. Tato měřená veličina se zohlední při Fourierově transformaci, a proto vyrovná kmitočtovou odchylku (.DELTA.f).ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu korekce kmitočtu u způsobu přenosu s několika nosnými kmitočty, přičemž signál z několika nosných kmitočtů se podrobí filtrování v pásmové propusti a následně se sloučením s předem daným kmitočtem posune do jedné oblasti pásmové propusti, přičemž potom se provede digitální Fourierova transformace a takto transformovaný signál se podrobí dekódování kanálů, přičemž ze signálu transformovaného Fourierovou transformací se zjistí kmitočtová odchylka mezi nosným signálem a kmitočtem, který se použije pro slučování kmitočtů.

Dosavadní stav techniky

Ze spisu US 5 228 025 je znám způsob korekce kmitočtu u způsobu přenosu s několika nosnými kmitočty, při němž se přijmutý signál filtruje v pásmové propusti a následně se sloučením s předem daným kmitočtem oscilátoru posune do základního pásma, načež se filtruje a digitálně mění. Digitální signál se potom podrobí digitální Fourierově transformaci a vyšle pro další dekódování. Přesná Fourierova transformace vyžaduje přesnou znalost vysílacího kmitočtu, se kterým je nosný signál vyzářen, aby bylo možno s tímto kmitočtem sladit kmitočet oscilátoru. Signál vyslaný z digitální Fourierovy transformace se zkoumá z hlediska odchylky nosného kmitočtu nosného signálu od předem daném kmitočtu oscilátoru a zjistí se řídicí hodnoty, pomocí nichž se provede automatická korekce kmitočtu oscilátoru. Tímto způsobem se dodatečnou regulací oscilátoru koriguje odchylka patrná ve vyhodnoceném signálu, která existuje mezi kmitočtem nosného signálu a kmitočtem oscilátoru.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje způsob korekce kmitočtu u způsobu přenosu s několika nosnými kmitočty, přičemž signál z několika nosných kmitočtů se podrobí filtrování v pásmové propusti a následně se sloučením s předem daným kmitočtem posune do jedné oblasti pásmové propusti, přičemž potom se provede digitální Fourierova transformace a takto transformovaný signál se podrobí dekódování kanálů, přičemž ze signálu transformovaného Fourierovou transformací se zjistí kmitočtová odchylka mezi nosným signálem a kmitočtem, který se použije pro slučování kmitočtů, podle vynálezu, jehož podstatou je, že ze zjištěné kmitočtové odchylky se vypočítají součinitele natočení pro modifikovanou Fourierovu transformaci, takže modifikovanou Forierovou transformací je vyrovnatelná kmitočtová odchylka mezi nosným signálem a kmitočtem, který se použije pro slučování kmitočtů.

Řešení podle vynálezu má výhodu vtom, že není potřebná automatická korekce kmitočtu oscilátoru, nýbrž zjištěné posunutí kmitočtu se přímo zohlední při Fourierově transformaci. Tímto způsobem se jednoduše a bezpečně zajistí to, aby mohla být u způsobu přenosu s několika nosnými kmitočty provedena přesná demodulace kmitočtů.

Ve vedlejších patentových nárocích jsou uvedena další výhodná provedení a vylepšení způsobu podle vynálezu, definovaného v hlavním nároku. Zvlášť výhodné přitom je použití rychlého algoritmu pro výpočet modifikované diskrétní Fourierovy transformace.

Další vylepšení způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že modifikované součinitele natočení, které jsou obsaženy v tabulce, je možno z této tabulky vyčíst. Tímto způsobem je možno rychle a snadno použít potřebné součinitele natočení.

-1 CZ 295650 B6

Adresy, pod nimiž jsou součinitele natočení uloženy v tabulce, se s výhodou zjišťuje pomocí střádače.

Další výhodné provedení způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že korekce kmitočtu prostřednictvím modifikované Fourierovy transformace se použije při příjmu digitálního rozhlasu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladném provedením podle přiložených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje schematicky způsob přenosu s několika nosnými kmitočty, obr. 2 přijímač pro způsob přenosu s několika nosnými kmitočty a obr. 3 schematicky způsob zjišťování činitelů natočení.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je schematicky znázorněn způsob přenosu digitálních dat, zejména pro rozhlasový přenos, s vysokou přenosovou rychlostí, pro mobilní přijímače. Tento způsob se provádí například u digitálního rozhlasu (DAB) prostřednictvím způsobu přenosu s několika nosnými kmitočty podle ortogonálního kmitočtového třídění (Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM). Přitom je několik kanálů C₂, Ci...Cn_i pro vedení signálů připojeno paralelně vždy k jednomu slučovacímu kodéru 1, jak je znázorněno na obr. 1. Slučovací kodér 1 provádí slučovací kódování přiváděných signálů. Kanály Co...Cn_i jsou připojeny ke kódovací jednotce 2 pro kódování času a kmitočtu. Kódovací jednotka 2 provede zakódování času a kmitočtu přivedeného signálu. Zakódováním času a kmitočtu se dosáhne statistické nezávislosti kanálů Co...Cji_i na procesech Raleigha a na vlastnostech kanálů.

Potom se signály z různých kanálů Co...Cn_i podrobí v aritmetické jednotce 3 časovému dělení a modulaci nosných kmitočtů prostřednictvím ortogonálního kmitočtového třídění (OFDM). Tímto způsobem vznikne signál, který je časově proložen a obsahuje několik nosných signálů s různými kmitočty.

V aritmetické jednotce 3 se k přenášeným datům připojí synchronizační symbol, který umožňuje zjištění času, kmitočtu a fáze, s nimiž jsou přijímaná data vyslána. Tento způsob je známý, například ze spisu DE 41 28 713.

Potom se nosné signály přenesou přenosovou dráhou 4 do přijímačů. V přijímači se provede filtrace a posunutí do základního pásma 5, modulace v demodulátoru 6, dekódování času a kmitočtu v dekodéru 7, což znamená, že zakódované údaje se dekódují na původní hodnoty, a dekódování kanálů v kanálovém dekodéru 8.

Na obr. 2 je znázorněn přijímač, který podle zvláštního příkladu provedení způsobu podle vynálezu provádí digitální korekci kmitočtu.

S pásmovou propustí 9 je spojena anténa 16. Pásmová propust 9 je prvním signálovým vedením 17 spojena se slučovačem 10. Ke slučovači 10 je sedmým signálovým vedením 23 spojen nesynchronizovaný oscilátor 11. Výstup slučovače 10 je druhým signálovým vedením 18 spojen se vstupem filtru 12. Výstup filtru 12 je třetím signálovým vedením 14 spojen se vstupem analogově číslicového převodníku 25. Výstup analogově číslicového převodníku 25 je devátým signálovým vedením 19 spojen se vstupem transformační jednotky 15 pro provádění Fourierovy

-2CZ 295650 B6 transformace. Výstup transformační jednotky 15 je čtvrtým signálovým vedením 20 spojen se vstupem demodulační a dekódovací jednotky 30 pro demodulaci a dekódování času a kmitočtu. Výstup demodulační a dekódovací jednotky 30 je spojen se vstupem kanálového dekodéru 8. Ze čtvrtého signálového vedení 20 je vedeno páté signálové vedení 21 na vstup aritmetické jednotky 13. Aritmetická jednotka 13 je osmým signálovým vedením 24 spojena s pamětí 14a. Výstup aritmetické jednotky 13 je šestým signálovým vedením 22 spojen s datovým vstupem transformační jednotky 15. Přijímač podle obr. 2 funguje následovně. Anténa 16 přijímá signál vyslaný aritmetickou jednotkou 3, představující jednotku pro modulaci a časové dělení, a vyšle jej do pásmové propusti 9. Pásmová propust 9 provede filtraci přijmutého signálu a vydá filtrovaný signál do slučovače 10. Ve slučovači 10 se filtrovaný signál sloučí s předem daným kmitočtem oscilátoru 11 a proto je přijmutý signál v oblasti pásmové propusti posunut v pevném odstupu od středního kmitočtu signálu určeného k odklíčování. Kmitočet oscilátoru 11 odpovídá přibližně nosnému kmitočtu, s nímž je signál přenášen. Kmitočtově posunutý signál se potom filtrem 12 filtruje a následně se podrobí analogově číslicové změně. Digitalizovaný signál, který představuje komplexní základní signál, se potom v transformační jednotce 15 digitálně podrobí procesu demodulace ve formě Fourierovy transformace, při němž se z přijmutého signálu, který má několik nosných signálů, odfiltruje nosný signál s předem stanoveným nosným kmitočtem. Přitom se berou v úvahu synchronizační symboly nosného signálu, který má být dekódován, které byly při způsobu časového dělení provedené v aritmetické jednotce 3 připojeny. Každý symbol se podrobí Fourierově transformaci. Signály transformované Fourierovou transformací se podrobí demodulaci a dekódování času a kmitočtu. Potom se signály v kanálovém dekodéru 8, který je s výhodou vytvořen jako Soft-Viterbi-Decoder, podrobí dekódování kanálů a vyšlou. Nosné signály, transformované Fourierovou transformací, se současně přivádějí do aritmetické jednotky 13. V aritmetické jednotce 13 se přezkoušením synchronizačního symbolu zjistí kmitočtová odchylka Af mezi nosným signálem a předem stanoveným kmitočtem oscilátoru 11, kterým se přijmuté signály ve slučovači 10 kmitočtově posunou. Z kmitočtové odchylky Af se vypočítají součinitele W_N natočení, které se vedou do transformační jednotky 15. Transformační jednotka 15 při dalších Fourierových transformacích zohlední nové činitele natočení. Pro zjištění kmitočtové odchylky mohou být použity i jiné způsoby.

Nyní bude podle obr. 2 blíže objasněna diskrétní Fourierova transformace a účinek součinitelů W_N natočení. Diskrétní Fourierova transformace (DFT) posloupnosti X_k délky N, přičemž N je stanovená konstanta, k a 1 jsou řídicí proměnné, jejich hodnota se mění od nuly do N-l, je dána rovnicí:

N-l *1 = 2 x_kexp(-j2^2/V), 2=0,...,//-1 (i) k=O

Výpočet diskrétní Fourierovy transformace podle rovnice (1) představuje demodulační proces u způsobu přenosu s několika nosnými kmitočty v případě, že odstupy pomocných nosných kmitočtů všech nosných signálů jsou stejné a v případě, že se použije obdélníkový vysílací impulz. To platí zejména pro způsob ortogonálního kmitočtového třídění, který je popsán například v publikaci Alerda „Principles of Modulation and Channel Coding for Digital Broadcasting for Mobile Receivers“, EBU Technical Review 224, str. 168-189, 1987.

Uskutečnění akčního členu pro regulaci kmitočtu vyžaduje modulaci komplexního signálu v základním pásmu, který je popsán vzorky x_k. Pro modulaci se použije komplexní signál s z oscilátoru 11, který je popsán vzorky s_k.

s_k = exp (- j 2 npk/N), k=O, . . ., N-l (2)

Přitom je p normalizovanou kmitočtovou odchylkou, kde platí p = NÁf/F_c, přičemž Af je kmitočtová odchylka oscilátoru 11 vůči nosnému kmitočtu přijmutého signálu. Řídicí proměnná k se mění od nuly do N-l, přičemž N je stanovená konstanta. F_c je vzorkovací neboli kmitočtová rychlost analogově číslicového převodníku 25. Kmitočtová odchylka Af se v přijímači získá vyhodnocením synchronizačního symbolu. Vzorky signálu v základním pásmu, který je kmitočtově korigován, se označí ^xk a vzniknou podle výše uvedených vzorců vztahem

Χυ»8ι. . Xv •I* ** Λ» _e

Základní myšlenka způsobu podle vynálezu spočívá vtom, že korekce kmitočtu se spojí s výpočtem diskrétní Fourierovy transformace. Výchozími hodnotami takto modifikované diskrétní Fourierovy transformace nyní jsou ~ W-1 = Σ X_kexp(-j2^(2+p)Á/V) , 1=0,... _r N-l (3) přičemž 1 je řídicí proměnnou, která se mění od nuly do N-l. Použije se zkrácení

V_N=exp(-j 2π/Ν), (4) pro součinitele W_N natočení diskrétní Fourierovy transformace, potom je možno rovnici (3) vyjádřit takto:

2=0, . ,N-1 (5)

Modifikovaná diskrétní Fourierova transformace, která je potřebná pro provedení korekce kmitočtu, se liší tedy od původní diskrétní Fourierovy transformace pouze volbou součinitelů W_Nnatočení.

S výhodou se místo diskrétní Fourierovy transformace, znázorněné v rovnici (1), použijí rychlé algoritmy. Dále budou popsány rychlé algoritmy, které jsou vhodné i pro modifikovanou diskrétní Fourierovu transformaci.

Nyní bude popsán příklad použití radixu 2 k výpočtu rychlé Fourierovy transformace. Principiálně je možno použít tyto úvahy i pro jiné rychlé algoritmy k výpočtu rychlé Fourierovy transformace. K použití algoritmu radix 2 je zapotřebí, aby N bylo druhou mocninou, tedy pro všechny elementy zN platí vztah n = ld N, přičemž ld označuje logaritmus pro základ 2. V tomto případě je možno rovnici (5) vyjádřit v následujícím tvaru:

²χ2Κί/Ν. ⁽¹⁺P^)k+Wn¹⁺P Σ *2Jc+A’^íl+^^k' -¹(6) k=Ok=O

Přitom bylo zavedeno zkrácení N'=N/2. Zbylé nosné amplitudy Xi pro 1 = Ν'...N-l se mohou vypočítat již z dílčích součtů, vypočítaných v rovnici (6), následující rovnicí:

*_N.₊₁= ^2A'^(1+p)k“A^+P^ *2k+A’^(1+ř>)k' *'-1' (^?) k=Ok=O

Rovnice (6) a (7) představují základ pro rychlý výpočet modifikované diskrétní Fourierovy transformace. Opakovaným používáním těchto vztahů je možno rozložit modifikovanou diskrétní Fourierovu transformaci délky N na elementární funkce, takzvané motýlky, pro modifikovanou diskrétní Fourierovu transformaci délky 2.

-4CZ 295650 B6

Odpovídající algoritmy jsou uvedeny například v publikaci Brighama „FFT - schnelle Fouriertransformation“, Oldenbourg, Mnichov, Vídeň, 1987 jako algoritmy decimace v čase. Rozdíl spočívá pouze v jiné volbě použitých činitelů natočení. To má tu velkou výhodu, že mohou být použity známé technické prostředky k realizování k uskutečnění rychlé Fourierovy transformace za předpokladu, že je možno přístup do uložených činitelů natočení.

Nyní bude popsáno účinné určení N-l součinitelů W_N natočení modifikované diskrétní Fourierovy transformace. Pro výpočet modifikované diskrétní Fourierovy transformace délky N je zapotřebí N-l různých součinitelů Wn natočení, které jsou popsány v následující rovnici:

^Ν^⁺^^^{2ΠΙ pr}° · * * * '^{n_1 a} 1=0/··· λ ² (3)

Přitom m představuje řídicí proměnnou. Protože součinitele W_N natočení jsou unimodulámí, mohou být znázorněny odpovídajícím fázovým úhlem Θ:

W_N ⁽¹⁺P)^2m=exp(-j_{f m})

(9)

Různé úhly mohou být účinně vypočítány následujícími rekurzívními vztahy:

(10) ^θ1+1 O = ⁰l,O^+2jr/-^ ^{nod 2?r} θο,ο “ ²”P^/N (11) (12)

Při uskutečnění modifikované diskrétní Fourierovy transformace ve formátu s pevnou řádovou čárkou musí být tomuto formátu přizpůsobeny normalizované odchylky kmitočtů. Vychází-li se z toho, že pro uskutečnění korekce kmitočtů je dostatečným počtem R kvantizačních stupňů mezi dvěma nosnými signály, je pro znázornění těchto mezistupňů nutná šířka slova r = ldR bitů. Vytvoří-li se výše uvedený fázový úhel θ pomocí celých čísel podle vztahu t = NR0/2K, vznikne následující rekurzívní předpis:

⁼ 2**1, o	(14)
1+1,0 ” l,0^+P raodM?	(15)
*0,0 =	(16)

Hranatými závorkami je znázorněno zaokrouhlení na nejbližší celočíselnou hodnotu. Uskutečnění těchto vztahů prostřednictvím střádače o šířce n+r bitů je znázorněno na obr. 3. Do vstupu 36 se přivádí hodnota R, která se dále vede do sčítačky 31. Sčítačka 31 sečte hodnotu R přivedenou do vstupu 36 s hodnotou přivedenou ze zpožďovacího členu 32. Výstup sčítačky 31 je spojen se vstupem zpožďovacího členu 32. Dále je výstup sčítačky 31 veden do prvního výstupního kanálu 37 a do vstupu první násobičky 33. Výstup první násobičky 33 je spojen se vstupem druhé násobičky 34 a s druhým výstupním kanálem 38. Výstup druhé násobičky 34 je spojen s třetím výstupním kanálem 39 a s další násobičkou. Ještě další násobička, označovaná jako m-tá 35, je spojena s (m+l)tým výstupním kanálem 40. Druhý vstup 41 zpožďovacího členu 32 je opatřen spouštěcí hodnotou. První násobička 33, druhá násobička 34 a m-tá násobička 35 provádějí vždy násobení hodnotou 2. Obvod, znázorněný na obr. 3, je použit na datové slovo o délce n+r. Zpožďovací člen 32 proveden časové zpoždění o takt T, s nímž se sčítačka 31 a násobička 33, 34, 35 uvedou do souladu. Iniciování střádače prostřednictvím druhého vstupu 41 se provede hodnotou [pR]. Je vidět, že odchylka kmitočtů pochází výlučně z tohoto iniciování. Fázový střádač musí proběhnout N/2 taktů, aby byly generovány všechny potřebné hodnoty. Násobení hodnotou 2 je možno provést jednoduše jako operace s posunutím bitů. V nejbližší zpracovávací operaci se slovo t o šířce n+r bitů z výstupních kanálů 37, 38, 49, 40 vypuštěním řádově nižších bitů o šířce n+r-1 uvedou na délku 1 slova. Odpovídající hodnoty jsou v následujícím textu označeny jako z** t a slouží k adresování tabulky s hodnotami kosinových a sinových funkcí. Rozsah hodnot *· 0,...2^7-1. Modifikované součinitele Wn natočení vzniknou z hodnot t prostřednictvím rovnice ^νΝ^¹⁺^^^{2ΐη =} cos(27rtlřln/2^v)-j Sín(2rt1^_n/2^V) , (17) takže rovnice (17) představuje předpis pro výpočet tabulkových hodnot v závislosti na adresách t. Hodnoty sinových a kosinových funkcí se uloží v paměti 14a s délkou w slova, která musí odpovídat délce slova signálu. Délka 1 slova adresy by měla být větší než délka w slova. Dobrých výsledků se dosáhne s v = w+4. V této formě uskutečnění je zapotřebí pro tabulku počtu 2^v+1 hodnot délky w slova. Využitím symetrie sinové a kosinové funkce je možno počet zápisů v tabulce zmenšit na 2^V_1 hodnot. Nejprve je:

sin(e) = cos(e - jr/2),(18) takže je sin( 2nt±,_m/2^v) = cos (2»·(έ₁ ^-2^²)/2^V)(19)

Potom platí cos(0-?r) - -cos(0)(20) a proto cos(27rt-^_m/2^v) - -cos(2?r( tj^_jn-2^v-1)/2^v) .(21)

Tímto uspořádáním se dosáhne toho, že celkově je zapotřebí pouze jedné tabulky kosinových funkcí s hodnotami 2^V-1 o délce w slova. Kosinové funkce jsou uloženy v paměti 14a a vyvolávají z*· se aritmetickou jednotkou 13 prostřednictvím hodnot , které představují adresu příslušných kosinových hodnot. Adresy se zjišťují jednoduchým způsobem pomocí způsobu, znázorněného na obr. 3, s použitím střádače. Tímto způsobem mohou být potřebné činitele natočení nalezeny velmi rychle.

Průmyslová využitelnost

Způsob podle vynálezu se s výhodou použije při příjmu digitálního rozhlasového programu (DAB).

Claims

1. Způsob korekce kmitočtu u způsobu přenosu s několika nosnými kmitočty, přičemž signál z několika nosných kmitočtů se podrobí filtrování v pásmové propusti (9) a následně se sloučením s předem daným kmitočtem posune do jedné oblasti pásmové propusti (9), přičemž potom se provede digitální Fourierova transformace a takto transformovaný signál se podrobí dekódování kanálů, přičemž ze signálu transformovaného Fourierovou transformací se zjistí kmitočtová odchylka (Af) mezi nosným signálem a kmitočtem, který se použije pro slučování kmitočtů, vyznačující se tím, že ze zjištěné kmitočtové odchylky (Af) se vypočítají součinitele (W_N) natočení pro modifikovanou Fourierovu transformaci, takže modifikovanou Fourierovou transformací je vyrovnatelná kmitočtová odchylka (Af) mezi nosným signálem a kmitočtem, který se použije pro slučování kmitočtů.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačuj ící se tím, že pro výpočet modifikované Fourierovy transformace se použije rychlý algoritmus.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že součinitele (W_N) natočení pro modifikaci Fourierovy transformace se vyčtou z tabulky.

4. Způsob podle nároku 3, v y z n a č u j í c í se tí m , že adresy, pod nimiž jsou součinitele (W_N) natočení uloženy v tabulce, se zjišťuje pomocí střádače.

5. Způsob podle jednoho znároků 1 až 4, vyznačuj ící se tím, že korekce kmitočtu prostřednictvím modifikované Fourierovy transformace se použije při příjmu digitálního rozhlasu.